斯坦福大學新算法提速200倍：5小時內精準打印復雜心臟血管網絡
2025年6月13日，斯坦福大學的研究人員開發出一種更快、更精確的血管系統建模和打印方法，解決了利用患者自身細胞制造可移植器官的關鍵難題。
為器官短缺和匹配問題提供解決思路
研究人員指出，美國有超過十萬名患者急需器官移植，但受限于器官短缺和匹配問題，許多人面臨長期等待甚至無法等到合適的器官。此外，器官移植后排斥反應的問題依舊難以避免。因此，研究團隊正致力于使用患者自身的細胞來制造個性化器官，而其中的關鍵挑戰之一是如何精確模擬復雜的血管系統，確保新生器官獲得充足的血液供應。這研究的共同資深作者、斯坦福大學心血管疾病教授Alison Marsden表示：“目前，生物打印組織的規模化能力受限于能否為生物打印組織生成血管，因此，若無法提供血液供應，組織的規模便無法擴大。因此，我們已經優化了生成血管的算法，使生成和打印速度比先前的方法快了大約200倍，并且我們現在能夠構建出復雜的血管結構，例如器官內的血管網絡。”
構建定制化血管網絡
當血液被泵送到體內某個器官時，它會沿著大動脈流向逐漸變細的分支血管。在那里，血液與周圍組織進行氣體和營養物質的交換。在大多數組織中，細胞需要在距離毛細血管僅一根頭發絲的寬度內才能生存。然而，在心臟等代謝需求特別旺盛的組織中，這個距離甚至更短——在僅一個毫米大小的立方體中，可能有多達2500條毛細血管。所有這些微小的血管最終都會匯聚并離開器官。同時，血管網絡并不是標準化的；它們因器官的形狀而異，即使是兩個大小相似的心臟之間也可能存在顯著的差異。到目前為止，構建一個與獨特復雜器官相匹配的真實血管網絡模型一直是一個極具挑戰性的任務，不僅困難重重，而且特別耗時。許多研究人員因此轉向使用標準化的晶格結構。雖然這些晶格在小型工程組織模型中表現良好，但在更大規模的組織工程中，它們的適用性并不高。
生物3D打印打印心臟
為解決這一問題，Marsden和她的同事們構建了一種算法，可創建與原生器官高度相似的血管樹。他們結合流體動力學模擬，確保血管系統均勻分布血液，并成功縮短了生成網絡的時間，避免了血管間的碰撞，創建了一個具有單一入口和出口的閉環系統。通過新算法，僅需五小時即可生成一個高密度的心臟血管模型，其中每個細胞距離最近血管僅100至150微米，展示了高精度與效率。
雖然當前的3D打印機尚未達到打印如此精細密集血管網絡的技術水平，但研究人員已成功設計并打印出一個包含500個分支的血管模型。此外，為了驗證模型的生物兼容性，他們還測試了一個簡化版本。通過使用3D生物打印機（專門用于打印活細胞，而非傳統材料如樹脂或金屬），研究人員創建了一個包含人類胚胎腎細胞的厚環結構，并構建了一個包含25條血管的網絡，且在該網絡內的人類胚胎腎細胞保持了良好的存活狀態。
研究人員很快注意到，這些血管網絡還不是功能性血管，它們是通過3D矩陣打印的通道，但它們沒有肌肉細胞、內皮細胞、成纖維細胞或任何其它需要自行運作的細胞。因此研究人員表示，“這是朝著生成真正復雜的血管網絡邁出的第一步，我們可以打印出前所未有的復雜程度的血管，但它們還不是完全的生理性血管。我們正在努力實現這一點。”
Skylar-Scott教授表示：“我們已經能夠利用人類干細胞生成足夠的心臟細胞，并打印出心臟的基本結構。接下來，我們將繼續優化血管設計，以支持這些細胞的生命活動。我們相信，未來幾年內，我們將能夠打印出具備完整血管網絡和生理功能的人類器官。”
此次研究的成果不僅為個性化器官打印提供了新的思路，也為臨床治療提供了更為高效、可持續的解決方案。隨著技術進步，個性化移植器官和再生醫學有望在不久的將來實現，拯救眾多等待器官移植的患者。
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