当艺术与科学和食用色素,生物打印繁荣

生物打印代表一个新的开源方法再生医学领域的突破,和它的成功源于一种特殊成分:食品染料。

本周的封面科学有一个壮观的纠缠的血液vessel-like水凝胶网络,是为数不多的几个结构由一组工程师们从莱斯大学,华盛顿大学,杜克大学,罗文大学,神经系统(马萨诸塞州萨默维尔的设计公司)。

集团克服生物工程已解锁的关键障碍关键生物打印世界的设计自由,明显成就今天报道科学。方法被发布为一个开源资源和启用bioinspired肺泡模型的发展,一个3 d功能僧帽静脉阀和肝组织的载体,是道成慢性肝损伤的小鼠模型。

克服了再生医学的一个最大障碍

在等待器官移植的人数大大超过了可用的器官的数量,替代方案是必要的。因此,重要的再生医学领域的兴趣和生物打印,理论上可以允许替代器官打印从患者自身的细胞,减少器官排斥的风险。

凯利史蒂文斯、合作者和生物工程部门助理教授和病理华盛顿大学的相信这理论的解决方案将成为现实:

“我们设想生物打印成为医学的重要组成部分在未来二十年。”

最大的挑战之一生成功能组织替代已无法提供氧气和营养细胞在人工器官或组织移植。没有血管供给营养,消除浪费,组织不会存活很长时间。因此,团队寻求一种印刷的方法错综复杂的血管,将允许组织蓬勃发展,约旦Miller解释说,合著者和莱斯大学生物工程学系助理教授:

“我们这个领域的总体想法是试图理解人体组织的结构。我认为我们这个领域的一件事情真的是缺少的是一些multivascular架构,我们的身体。如果我们希望构建任何类似于人类的肺,我们不需要一个血管网络,我们实际上需要至少两个,因为我们需要气道和血液中。”

食用色素形状再生医学

构建软船只,3 d打印技术的一种形式被称为“有限元”依靠光导致单体联系在一起。这个过程可以严格控制;虽然xy决议是由光路,z决议是由添加剂,吸收多余的光和限制聚合所需的层厚度。

然而,找到合适的遮光的添加剂并不容易。该方法用于制造塑料零件,但添加剂包含已知的基因毒性和致癌的属性——当然不适合生物制造!因此,团队寻找无毒光受体阻滞剂。他们测试了几个有前途的有机候选人:黄色的食用色素,姜黄素(姜黄)和花青素(蓝莓),以及无机金纳米粒子(50 nm)生物相容性和light-attenuating属性而闻名。

莱斯大学生物工程师丹尼尔saz准备的航空lung-mimicking气囊进行测试。在实验中,空气被泵入囊在呼吸模式,模拟血液流经周围的血管网络人类红细胞氧化。(图片来源:杰夫Fitlow /莱斯大学)

这些研究,黄色食物染料(柠檬黄)被选为photoabsorber竞争的赢家。Miller评论为项目:那是什么意思

”这一创新在使用这些食品染料light-blockers,我们有这么多新的血管设计的自由。我们可以做很多不同的东西在这些柔软的水凝胶,是基于水我们无法让。”

组织工程生物材料的一大步

由于新发现的创作自由,和设计经验神经系统设计工作室,交叉的科学,艺术,科技,精心制作了一个人造血管系统由透明的水凝胶。此外,船只被包含在肺组织的功能模拟3 d印刷使用相同的技术。

该船/肺结构通过几个重要的测试:

• 血管是强大到足以承受肺泡的“呼吸”运动模型
• 肺泡模型交付氧气血红细胞通过血管
• 3 d瓣叶被合并,反应迅速流向的变化

米勒回忆最激动人心的时刻之一的项目:

“这是我们第一次开始使用气动系统通风气道。它看起来真的像呼吸…和它是如此惊人的体系结构的复杂性,我们立即看到新的东西在血液中,一旦我们开始这样做。真的改变了我们的看法是可能的软材料,80%以上是水。”

视频来源:莱斯大学

展望未来替代器官

为了更好地模拟生化条件体内,组显示内皮细胞注入气道可能行血管,和生存。米勒说,该组织正在做类似的实验血管架构。

“我们已经表明,人体细胞可以存活pre-hydrogel混合物,他们可以在聚合过程中,他们生存在功能性凝胶,我们已经取得了。其中一项研究我们将补充与间充质干细胞。我们能够证明他们能够生存和生长和扩散在凝胶在3 d。他们能够也分化的骨突谱系细胞开始准备采集矿物矩阵。我们真的看到这种技术的全部潜力不仅仅是活的组织模型,而且体内构建它和理解它的功能。”

作为测试的相关治疗植入方法,团队3 d印刷水凝胶载体,肝细胞聚集,加载,然后将其移植到小鼠慢性肝损伤模型。移植后14天,有积极的迹象;幸存的功能性肝细胞有迹象表明,宿主血液出现在移植的组织。

实验由赖斯大学和华盛顿大学的研究人员探索肝细胞是否正常,如果他们被纳入一个打印的植入小鼠植入和14天。(图片来源:约旦米勒/莱斯大学)。

史蒂文斯分享她未来的计划:“在这里,我们测试了一个肝细胞的功能。但是,肝细胞有大约500的功能。在未来,我们将测试是否打印的组织可以执行这些功能的更多。我们也正在努力提高解决模式,仍然是约一个数量级比大多数人类细胞的大小。”

科学和艺术:一个梦想的比赛

这项工作是一个关键因素的贡献神经系统米勒,他相信将有助于改变字段:

“他们一直编写自己的软件,构建生成的体系结构,基于算法,人们在自然观察。所以我建议他们几年前,我们不仅可以利用他们的算法构建结构像活组织,但这实际上可以被用来制造活组织。”

杰西卡·Rosenkrantz联合创始人兼创意总监的神经系统(Twitter: @nervous_jessica Instagram: @nervous_jessica)反映了机会:

“作为设计师的工作是受复杂的模式在自然界中我们看到,这是一个梦想成真能够在生物设计工作。在我们的工作室,我们开发生成软件设计复杂的几何图形。这些工具是一个完美的适合组织工程,我们需要创建复杂的定制结构像血管一样。”


美国一美分硬币旁边显示的航空lung-mimicking气囊气管和血管。图片来源:布兰登·马丁/莱斯大学

“我们相信,科学应该开源”

这项工作是为生物工程和再生医学领域的重大进展,并打开门在微流体,organ-on-a-chip病理模型,和药物发现。

米勒承认开源技术的价值,很高兴能够回馈社区,帮助推动这个项目:

”另一个激动人心的一部分工作是我们所有的设备,我们使用3 d打印该船结构凝胶,并做通风——这就是开源。今天晚些时候人们将能够下载它合法和自由。我认为这是不会允许别人真正探索这个空间的方式我们之前没见过。”

编辑:CELLINK, 3 d生物打印公司可以在这里找到:https://cellink.com/about-us/

参考:

Grigoryan B。Paulsen年代。Corbett D。saz D。,福丁,C。Zaita,。格林菲尔德,P。卡拉法特,N。Gounley, J。安德森,H。约翰逊,F。反,。Rosenkrantz, J。Louis-Rosenberg, J。,Galie。,P。史蒂文斯,K。米勒,j . (2019)。Multivascular网络可以使水凝胶的生物相容性和功能内血管内拓扑。科学doi: 10.1126 / science.aav9750