糖粉是萊斯大學食譜中的特殊成分，用于模仿人體在實驗室生長的組織中錯綜復雜的分支血管。
在今天發(fā)表在《自然生物醫(yī)學工程》雜志上的研究中，賴斯生物工程師表明，他們可以通過用3-D打印糖的模板創(chuàng)建復雜的血管網(wǎng)絡(luò)，在相對較大的構(gòu)建體中使密集包裝的細胞存活兩周。賴斯布朗工程學院生物工程研究生Ian Kinstlinger說：“ 工程化與臨床相關(guān)的組織的最大障礙之一就是將一個大的組織結(jié)構(gòu)與數(shù)以億計的活細胞包裝在一起?！?“在如此大的組織中為所有細胞提供足夠的氧氣和營養(yǎng)，這是一個巨大的挑戰(zhàn)?！?/p>
Kinstlinger解釋說，大自然通過復雜的血管網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展解決了這個問題，該網(wǎng)絡(luò)通過我們的組織和器官以類似于樹枝的方式編織。隨著血管從中央軀干分支出來，血管的厚度同時變小，但數(shù)量卻增加，從而使氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)有效地傳遞到整個身體的細胞。
金斯特林格說：“通過開發(fā)模仿自然存在的血管網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)和新材料，我們已經(jīng)接近可以為足夠數(shù)量的細胞提供氧氣和營養(yǎng)以達到有意義的長期治療功能的地步?！?/p>
糖的模板在研究實驗室的合著者Rice的生物工程助理教授Jordan Miller的實驗室中用開源的，經(jīng)過修改的激光切割機進行了3D打印。
米勒說：“我們在這里開發(fā)的3D打印工藝就像制作非常精確的焦糖布丁一樣?！彼淖畛蹯`感來自該項目的精致甜點。
米勒說，復雜而細致的結(jié)構(gòu)是通過選擇性激光燒結(jié)實現(xiàn)的，這是一種3D打印工藝，將微小的粉末顆粒融合成固體3-D物體。與更普通的擠出3-D印刷(通過噴嘴沉積材料的熔融線)相反，激光燒結(jié)通過在干燥粉末填充床上的小區(qū)域輕輕熔化和融合來進行工作。他說，擠壓和激光燒結(jié)一次都可以形成一個3-D形狀的一個2-D層，但是激光方法可以生成結(jié)構(gòu)，否則這些結(jié)構(gòu)如果被擠壓則很容易塌陷。
米勒說：“存在某些架構(gòu)，例如懸垂結(jié)構(gòu)，分支網(wǎng)絡(luò)和多血管網(wǎng)絡(luò)，這些在擠出印刷中確實無法很好地完成?！彼诓┦亢笃陂g演示了使用3-D擠出打印機進行糖模板制作的概念。在賓夕法尼亞大學學習。米勒(Miller)在2013年加入萊斯(Rice)后不久就開始從事激光燒結(jié)方法的研究。
他說：“選擇性激光燒結(jié)使我們在所有三個維度上都擁有更多的控制權(quán)，使我們能夠輕松訪問復雜的拓撲結(jié)構(gòu)，同時仍保留糖材料的效用。”
糖在創(chuàng)建血管模板方面特別有用，因為它在干燥時很耐用，并且可以快速溶解在水中而不會損壞附近的細胞。為了制造薄紙，Kinstlinger使用一種特殊的糖混合物來印刷模板，然后用液體凝膠中的細胞混合物填充印刷糖網(wǎng)絡(luò)周圍的體積。凝膠在數(shù)分鐘內(nèi)變成半固體，然后糖溶解并沖走，留下了養(yǎng)分和氧氣的開放通道。
Kinstlinger說：“這種方法的主要好處是我們可以快速生成每種組織結(jié)構(gòu)?！?“我們可以在不到五分鐘的時間內(nèi)創(chuàng)建出一些迄今為止最大的組織模型?！?/p>
米勒說，這項新研究回答了兩個重要問題：哪些糖可以燒結(jié)成連貫的結(jié)構(gòu)，什么計算算法可以衍生出模仿自然界中發(fā)現(xiàn)的復雜的分支架構(gòu)?
與研究系統(tǒng)Nervous System合作創(chuàng)建了在研究中生成樹狀血管結(jié)構(gòu)的計算算法，該系統(tǒng)使用計算機仿真制作受自然界圖案啟發(fā)的獨特藝術(shù)品，珠寶和家庭用品。
《神經(jīng)系統(tǒng)》的聯(lián)合創(chuàng)始人兼創(chuàng)意總監(jiān)，研究合著者杰西卡·羅森克蘭茨(Jessica Rosenkrantz)說：“我們正在使用受自然啟發(fā)的算法來創(chuàng)建組織的功能網(wǎng)絡(luò)?！?“由于我們的方法是算法性的，因此有可能創(chuàng)建針對不同用途的定制網(wǎng)絡(luò)?！?/p>
在創(chuàng)建了以這些可計算生成的血管結(jié)構(gòu)圖案化的組織后，研究小組展示了通道內(nèi)內(nèi)皮細胞的播種，并致力于研究周圍組織中生長的細胞(包括稱為肝細胞的嚙齒動物肝細胞)的存活和功能。肝細胞實驗是與華盛頓大學(UW)生物工程師和研究合著者凱利·史蒂文斯(Kelly Stevens)合作進行的，凱利·史蒂文斯(Kelly Stevens)的研究小組專門研究脆弱的細胞，眾所周知，這些細胞很難在體外維持。
史蒂文斯說：“與許多其他生物打印技術(shù)相比，這種方法可以與更廣泛的材料混合物一起使用。” “這使它具有難以置信的通用性?！?/p>
Miller說：“我們證明了通過3D血管網(wǎng)絡(luò)進行灌注使我們能夠維持這些大型的肝樣組織。盡管維持肝細胞功能仍然存在著長期的挑戰(zhàn)，但能否產(chǎn)生大量組織并維持細胞在這些卷中有足夠的時間來評估其功能是向前邁出的令人振奮的一步。”
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