在萊斯大學的一份配方中，糖粉是一種特殊的成分，可以在實驗室培養的組織中模仿人體復雜的分支血管。

在近日發表在《自然生物醫學工程》(Nature Biomedical Engineering)雜志上的一項研究中，萊斯大學的生物工程師們展示了他們可以通過3d打印的糖模板創建復雜的血管網絡，讓密集排列的細胞在相對較大的結構中存活兩周。

"臨床相關組織工程的最大障礙之一是用數億活細胞包裝一個大的組織結構，"該研究的第一作者Ian Kinstlinger說，他是萊斯大學Brown工程學院的生物工程研究生。"將足夠的氧氣和營養物質輸送到這么大的組織中所有的細胞是一個巨大的挑戰。"

Kinstlinger解釋說，大自然通過復雜的血管網絡的進化解決了這個問題，這些血管網絡編織在我們的組織和器官中，讓人想起樹枝的圖案。同時，血管的厚度會變小，但數量會增加，因為它們從中央主干分叉，使氧氣和營養物質能夠有效地輸送到全身的細胞中。

圖片來源：Brandon Martin Rice University

Kinstlinger說："通過開發模仿自然血管網絡的新技術和材料，我們離這一點越來越近，我們可以向足夠數量的細胞提供氧氣和營養，以獲得有意義的長期治療功能，"

糖模板是在萊斯大學生物工程助理教授Jordan Miller的實驗室用一種開源的、改良的激光切割機3d打印的。

"我們在這里開發的3d打印工藝就像制作一種非常精確的焦糖布丁，" Miller說，他最初的靈感是一種復雜的甜點。

Miller說，這種復雜、詳細的結構是通過選擇性激光燒結實現的，這是一種將微小的粉末顆粒熔合成立體物體的3d打印工藝。與更常見的擠壓3-D打印，熔化的材料線通過噴嘴沉積不同，激光燒結的工作方式是在干燥粉末的填充床上輕輕熔化和熔合小區域。他說，擠壓和激光燒結都能一次形成一個的三維形狀，但激光方法能產生在擠壓時容易坍塌的結構。

"有一些特定的結構--比如懸空結構、分支網絡和多血管網絡--你真的不能用擠壓打印做得很好，"Miller說，他在賓夕法尼亞大學博士后研究期間用3d擠壓打印機演示了糖模板的概念。Miller在2013年加入萊斯大學后不久就開始研究激光燒結方法。

他說："選擇性激光燒結給了我們在所有三個維度上更多的控制，使我們能夠在保持糖材料實用性的同時輕松獲取復雜的拓撲結構。"

糖在制造血管模板時特別有用，因為它在干燥時耐久，而且它能在不損害附近細胞的情況下迅速溶解在水中。為了制造組織，Kinstlinger使用一種特殊的糖混合物來打印模板，然后在打印的糖網絡周圍填充液態凝膠中的細胞混合物。在幾分鐘內，凝膠就會變成半固態，然后糖被溶解并沖走，為營養和氧氣留下一個開放的通道。

"這種方法的一個主要好處是我們可以快速生成每個組織結構，"Kinstlinger說。"我們可以在五分鐘內制造出一些最大的組織模型。"

Miller說，這項新研究回答了兩個重要的問題：什么樣的糖可以燒成連貫的結構，什么樣的計算算法可以推導出復雜的分支結構來模擬那些在自然界發現的結構？

該研究中生成樹狀血管建筑的計算算法是與神經系統設計工作室合作創建的，該工作室利用計算機模擬制作獨特的藝術品、珠寶和家庭用品，靈感來自于自然界的圖案。

圖片來源：Jeff Fitlow Rice University

神經系統公司的聯合創始人和創意總監，同時也是該研究的合著者Jessica Rosenkrantz說："我們利用受自然啟發的算法來為組織創建功能性網絡。因為我們的方法是基于算法的，所以有可能為不同的用途創建定制化的網絡。"

在用這些計算生成的血管結構創建組織模型后，該團隊演示了在通道內植入內皮細胞，并集中研究生長在周圍組織中的細胞的存活和功能，包括嚙齒類動物的肝細胞。肝細胞實驗是與華盛頓大學(UW)生物工程師和研究合著者Kelly Stevens合作進行的，Kelly Stevens的研究小組專門研究這些脆弱的細胞，眾所周知，這些細胞很難在體外維持。

Stevens說："與許多其他生物印刷技術相比，這種方法可以用于更廣泛的混合材料的打印。這使得它的用途非常廣泛。"

Miller說："我們證明了通過三維血管網絡的灌注使我們能夠維持這些大的肝樣組織。盡管在維持肝細胞功能方面仍存在長期的挑戰，但能夠產生大量組織并在足夠的時間內維持這些細胞以評估其功能是令人興奮的進步。" （生物谷Bioon.com）

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