日前，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）与哈佛Wyss生物工程研究所组成的一个科学家团队已经发明了一种方法，可以用人类干细胞、细胞外基质和内衬血管内皮细胞的循环通道3D打印出厚实的血管化组织构造。最终形成的包含在深层组织内的血管网络能够使液体、营养物质和 细胞生长因子均匀地灌注于整个组织。
这项重大突破已经于2016年3月7日发表在了《 Proceedings of the National Academy of Sciences》杂志上。
“这项最新的成功扩展了我们的多材料生物打印平台打印更厚的人体组织的能力，使我们进一步接近于创建出可用于组织修复和再生的结构。”这项研究的高级作者、Hans?rg Wyss生物工程教授Jennifer A. Lewis说。
到目前为止，科学家们在使用各种细胞类型构建更大的人体组织的道路上遇到的最大障碍是缺少可靠的方法将能够维持生命的血管网络嵌入组织内部。这也是Lewis及其团队此次研究成果的重大意义所在。
据了解，在其之前工作的基础上，Lewis她的团队将可3D打印的组织厚度增加了近10倍，从而为下一步的组织工程与修复开辟了广阔的道路。该方法将血管管路与活细胞和细胞外基质结合起来，使该结构能够像活体组织那样发挥作用。在研究中，Lewis及其研究团队证明，他们3D生物打印的组织可以维持像活组织结构那样的功能超过六个星期！
在研究中，Lewis的团队展示了他们3D打印足有一厘米厚的组织的过程，该组织包含了人骨髓干细胞，这些干细胞被结缔组织包围着。为了展示该组织的功能，科学家们通过支持的血管系统注入了抽骨生长因子，然后在一个月内诱导干细胞发展为骨细胞。值得一提的是该血管系统内部拥有与真正的血管同样的内皮细胞。
“这项研究将有助于我们为生物打印血管化的活组织建立起基本的科学认知。”来自资助了该项目的美国国家科学基金会（NSF）的官员Zhijian Pei说：“这类研究将进一步扩展3D打印的人体组织在药物安全、毒性筛查方面的应用，并最终可用于组织修复和再生。”
据了解，Lewis教授全新的3D生物打印方法主要使用一种可自定义的3D打印硅胶模具来容纳和扶持打印的组织结构。在这种模具里，研究人员首先打印出血管管路网格，然后再在上面打印含有活体干细胞的油墨。需要指出的是，这些油墨是可以自我支撑的，其强度足以在该结构尺寸随着逐层沉积而不断增长的过程中保持形状。在这个基础性血管网格内部的交叉路口，研究人员会打印血管立柱，这些血管网格相互连接，就在整个干细胞堆积的组织内部形成了一个无所不在的微血管网络。在打印之后，一种由成纤维细胞和细胞外基质组成的液体会填进3D打印组织周围的开放区域，交联其整个结构。
最终产生的软组织充满了血管，然后研究人员通过该硅胶模具两端的出入口可以向该组织灌注营养物质，以保证细胞存活。而无所不在的血管系统则通过将细胞生长因子运送至整个组织的所有地方来促进干细胞的分化。更加直观的过程请看下面的演示视频：
研究人员们称，如果要实现各种形状、厚度和成分的组织，可以通过设计3D打印硅胶模具的形状以及调制拥有不同细胞类型的细胞油墨来实现。
“拥有了这种在组织内的预制血管，使我们能够增强组织深层的细胞功能，并通过灌注营养物质和生长因子等物质来调节这些细胞的功能。”该项研究的第一作者之一David Kolesky说。