BioP3技術：通向生物3D打印人體器官的另一條路
有一項新技術有可能引起醫療行業的革命，它有可能實現完整器官比如肝臟、胰腺或者腎臟的按需制造，以解決目前可移植器官短缺的問題。盡管雖然仍處于原型階段，但BioP3技術的開發人員已經獲得了來自美國國家科學基金會（NSF）支持資金，這使得他們更加接近實現自動器官打印。
這個BioP3技術是由布朗大學生物工程師Jeffrey Morgan和Warren Alpert醫學院和羅德島醫院手術研究員Andrew Blakely博士共同開發的。這個“BioP3”技術中的P3，代表“拾取（pick）、地點（place）和灌注（perfuse）”。這項技術借鑒了制造電子元器件的高速流水線上的“拾取、放置”原則——在流水線上電子部件被拾取，然后精確地放置到位，以便形成一個整體。
而在BioP3技術中，用于生成活體器官的是包含了幾千到幾百萬個活細胞的3D微組織。該設備拾取大型、復雜的多細胞構建成部件，然后將它們輸送到一個生成區，并精確將這些部件放置在所希望的位置，同時灌注他們（即使用穩定、連續的液體流，為它們帶來營養并帶走廢棄物）。
“對于我們來說，這是令人興奮的，因為它是一個構建組織的新方法，很有可能用來制造器官——通過逐層將大型、復雜活體部件層積在一起。”Morgan說。這種方法與3D生物打印技術不同，后者被認為最終能夠實現人體器官的人工制造。當前的3D生物打印技術主要涉及植入細胞的生物材料的逐層沉積，每次只能打印一滴。“我們的做法則要快得多，因為它使用了預裝配好的活體部件，該部件具有一定的功能形狀，而且每個部件的低級都千倍于單個細胞。”Morgan說。
Morgan的微成型技術將細胞植入無粘著力的微型模具，在微型模具里不同類型的細胞自組裝成預定的形狀，例如球形、桿形、類似甜甜圈的環性或蜂窩狀，最終形成微組織。使用BioP3技術，科學家將有可能通過將活體微組織結合起來構建出更大的組織。研究人員已經將關于BioP3技術的論文發表在了最新一期的《Tissue Engineering Part C》里。
BioP3裝置看起來像一個小小的透明塑料箱，一個挑選出來的微組織被存儲在中央腔室中。一個噴嘴被連接到各種管子和一個顯微鏡般的臺子上，這個噴嘴主要用來通過吸力拾取微組織。然后操作人員可以精確地移動各個微組織部件到指定的地方，逐步建立一個3D生物結構。該微組織被封閉在液體和噴嘴內的管道產生液體吸力，使得噴嘴能夠拾取、攜帶、釋放活體微組織，并且不會對它們造成任何損壞。
經過一段時間，微組織結合在一起，形成了一個單一的結構。“這個項目特別吸引我的地方是，它是大尺寸組織工程領域中一種前所未見的全新方法。”Blakely說。
該論文展示了Blakely創建的多個不同的生物結構，包括一摞16個甜甜圈環和一摞個四個蜂窩狀結構。其中這一摞蜂窩體達到了一百萬個細胞，厚度超過2毫米，盡管這么多細胞對于一個完整的器官而言仍然遠遠不夠，但證明了該蜂窩體具有與人類器官一致的器官密度。
生物工程化組織的蜂窩體可以堆疊并組織成更大的活體結構。 圖片：布朗大學
該BioP3裝置的原型主要是從家得寶購買的零部件組裝而成的，成本不到200美元，但由于它是手工操作，所以Blakely花了1個小時才堆起來薄薄的16個“甜甜圈環”。開發人員希望以后這些過程能夠自動完成，不僅能夠提高構建速度，而且可以獨立精確地組裝大型、高密度的組織。
幸運的是，2014年9月份，研發團隊獲得了來自美國國家科學基金會一筆140萬美元、為期三年的資助。研究人員將會把這筆資金用于實現該技術的自動化，并將其用于研究如何構建大型的活體組織、它們在較長一段時間里將如何表現、以及他們的形狀將如何演變等。
“我們只是剛剛了解我們可以制造什么樣的活體組織，以及這種活組織如何用來設計結構中的血管網絡。”Morgan說。“制造一個器官是生物醫學工程的巨大挑戰，我們已經朝著這個方向邁出了顯著的一步。”
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