《科學》封面：開天闢地！科學家首次列印出「會呼吸」的肺，而且成功實現獨立的血管和氣管氧氣交換丨科學大發現

相比別的修理工，醫生修起人來可是要難上不少。且不說人體的複雜性，單就沒有備用「零件」這一點，就足以讓人吐血了。

目前的器官移植別人捐獻的器官，受排異反應和供體來源的限制，難以廣泛應用。而通過組織工程人造器官，看起來很美好，現實卻很骨感，特別是心肝脾肺腎這樣的實體器官，光長出相應的細胞還不算完，得有正確的結構才能行使它們的正常功能。

近日，萊斯大學的Bagrat Grigoryan、Kelly Stevens和Jordan Miller等，通過三維光刻技術，使用生物相容的水凝膠，3D列印了一個包含血管和氣道的肺臟模型，在其中實現了血液的氧合；還構建了一小塊肝臟，移植到小鼠體內後成功存活。相關研究獲得Science封面推薦[1]。

論文獲Science封面推薦

通過組織工程再生器官，哪裡壞了換哪裡，可以說是人們在醫學上的一個理想，甚至有人幻想通過不斷的更換器官，使人體成為一條忒休斯之船，達到永生。而近些年火熱的3D列印技術，更是為通過組織工程製造器官打開了一扇大門，像組織工程的耳廓軟骨，就已經從小鼠走向臨床，用於修復小耳畸形患者的外耳[2]。

不過外耳軟骨畢竟沒有什麼複雜的結構。此前成功產生下一代的3D列印卵巢，也只是列印了個支架把卵泡放進去，其中供血的血管還是植入後由宿主生成的。這樣的技術要想拿來生成實體器官，差的還是不少的。

實體器官的功能，離不開其中複雜的空間結構，比如心臟的兩房兩室4個瓣膜、肝臟的肝小葉、脾中的脾索和脾血竇、肺中交織在一起的血管和氣道、腎臟的腎單位，乃至血管中定向開啟的瓣膜，都是這些器官發揮功能必不可少的結構。

心肺的血管鑄形

（來自themag.it）

為了製作出這些複雜的結構，研究人員選擇了三維光刻技術，通過光照使光敏樹脂局部聚合，列印出特定的結構。相比逐點列印的傳統噴墨式3D列印，三維光刻可以同時處理幾百萬個體素，再輔以檸檬黃遮光，列印的效率和精度都大幅提高了。

光說不練假把式，研究人員先用三維光刻列印了一小段帶瓣膜的血管，小試牛刀一下。

血流順著瓣膜單向流動，初步的嘗試成功了，來給自己鼓個掌！

接下來就要挑戰一下更高的難度了。肺臟中有血管和氣道這兩套互相糾纏在一起，又不互通的管道，三維光刻能完成嗎？

再往裡灌上不同顏色的液體看看互不互通。

兩套不互通的管道看來是沒問題，接下來就是氧合了。

暗紅色的無氧血液流進去，鮮紅色的富氧血液流出來。不過肺裡面完成氣體交換的可不是這麼一根管子，是肺泡和周圍的毛細血管網。

這樣的肺泡再多組裝幾個就是個肺臟了。

除了肺，研究人員還嘗試製作了一小塊肝。水凝膠包裹的肝細胞中白蛋白啟動子的活性比單細胞狀態高出了60倍！同時由於總粒徑超過了組織工程三維光刻儀的體素大小，研究人員還構建了一個更為高級的載體，把這些被水凝膠包裹的肝細胞附著在天然的纖維蛋白上，其間也留有作為血管的空隙。

隨後，研究人員向空隙中種入了人臍靜脈內皮細胞，然後將這一小塊「肝臟」植入了慢性肝損傷的小鼠體內。14天後，這些植入的「肝臟」中依然可以檢測到活躍的白蛋白啟動子，其中的肝細胞成功存活！

論文共同通訊作者Stevens教授表示：「組織工程學在這方面已經掙扎了一代人的時間。有了這項研究，我們現在可以更好地問，『如果我們能列印出看起來甚至呼吸起來更像我們身體健康組織的組織，那麼它們的功能是否也會更像那些組織？』這是一個重要的問題，因為組織功能的好壞將會影響它作為一種治療方法的成功程度。」

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參考文獻：

1. Grigoryan B, Paulsen S J, Corbett D C, et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels[J]. Science, 2019, 364(6439): 458-464.

2. Zhou G, Jiang H, Yin Z, et al. In vitro regeneration of patient-specific ear-shaped cartilage and its first clinical application for auricular reconstruction[J]. EBioMedicine, 2018, 28: 287-302.

3. Laronda M M, Rutz A L, Xiao S, et al. A bioprosthetic ovary created using 3D printed microporous scaffolds restores ovarian function in sterilized mice[J]. Nature communications, 2017, 8: 15261.

本文作者 | 孔劭凡

啥時候3D列印一個人

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