Nanoingenjörer vid University of California San Diego har 3D-printat en verklighetstrogen, funktionellt blodkärlsnätverk som kan bana väg mot artificiella organ och regenerativa terapier.

Den nya forskningen, ledd av nanoteknikprofessor Shaochen Chen, tar itu med en av de största utmaningarna inom vävnadsteknik:att skapa verklighetstrogna vävnader och organ med fungerande kärlnätverk av blodkärl som kan transportera blod, näringsämnen, avfall och andra biologiska material – och gör det säkert när det implanteras inuti kroppen.

Forskare från andra labb har använt olika 3D-utskriftstekniker för att skapa konstgjorda blodkärl. Men befintlig teknik är långsam, kostsamma och huvudsakligen producera enkla strukturer, till exempel ett enda blodkärl – ett rör, i grund och botten. Dessa blodkärl är inte heller kapabla att integreras med kroppens eget kärlsystem.

"Nästan alla vävnader och organ behöver blodkärl för att överleva och fungera ordentligt. Detta är en stor flaskhals för att göra organtransplantationer, som är mycket efterfrågade men bristfälliga, sa Chen, vem leder nanobiomaterialen, Bioprinting, och Tissue Engineering Lab vid UC San Diego. "3D-bioprintningsorgan kan hjälpa till att överbrygga denna klyfta, och vårt labb har tagit ett stort steg mot det målet."

Chens labb har 3D-printat ett kärlnätverk som säkert kan integreras med kroppens eget nätverk för att cirkulera blod. Dessa blodkärl förgrenar sig till många serier av mindre kärl, liknande blodkärlsstrukturerna som finns i kroppen. Verket publicerades i Biomaterial .

Chens team utvecklade en innovativ biotryckteknik, använda sina egna hemgjorda 3D-skrivare, att snabbt producera invecklade 3D-mikrostrukturer som efterliknar de sofistikerade designerna och funktionerna hos biologiska vävnader. Chens labb har använt denna teknik tidigare för att skapa levervävnad och mikroskopiska fiskar som kan simma i kroppen för att upptäcka och ta bort gifter.

Forskare skapar först en 3D-modell av den biologiska strukturen på en dator. Datorn överför sedan 2D-ögonblicksbilder av modellen till miljontals speglar i mikroskopstorlek, som var och en är digitalt styrd för att projicera mönster av UV-ljus i form av dessa ögonblicksbilder. UV-mönstren lyser på en lösning som innehåller levande celler och ljuskänsliga polymerer som stelnar vid exponering för UV-ljus. Strukturen skrivs snabbt ut ett lager i taget, på ett kontinuerligt sätt, skapa en 3D solid polymer ställning som kapslar in levande celler som kommer att växa och bli biologisk vävnad.

"Vi kan direkt skriva ut detaljerade mikrovaskulaturstrukturer i extremt hög upplösning. Andra 3D-utskriftstekniker producerar motsvarande "pixelerade" strukturer i jämförelse och kräver vanligtvis offermaterial och ytterligare steg för att skapa kärlen, sa Wei Zhu, en postdoktor i Chens labb och en ledande forskare i projektet.

Och hela denna process tar bara några sekunder – en enorm förbättring jämfört med konkurrerande bioprintingmetoder, som normalt tar timmar bara att skriva ut enkla strukturer. Processen använder också material som är billiga och biokompatibla.

Chens team använde medicinsk bildbehandling för att skapa ett digitalt mönster av ett nätverk av blodkärl som finns i kroppen. Genom att använda sin teknik, de tryckte en struktur som innehöll endotelceller, som är celler som bildar den inre slemhinnan i blodkärlen.

Hela strukturen passar på ett litet område som mäter 4 millimeter × 5 millimeter, 600 mikrometer tjock (lika tjock som en bunt som innehåller 12 hårstrån).

Forskare odlade flera strukturer in vitro under en dag, ympade sedan de resulterande vävnaderna i hudsår på möss. Efter två veckor, forskarna undersökte implantaten och fann att de framgångsrikt hade vuxit in i och smält samman med värdblodkärlsnätverket, låter blodet cirkulera normalt.

Chen noterade att de implanterade blodkärlen ännu inte kan utföra andra funktioner, som att transportera näringsämnen och avfall. "Vi har fortfarande mycket arbete att göra för att förbättra dessa material. Detta är ett lovande steg mot framtiden för vävnadsregenerering och reparation, " han sa.

Går vidare, Chen och hans team arbetar med att bygga patientspecifika vävnader med hjälp av mänskliga inducerade pluripotenta stamceller, som skulle förhindra att transplantat attackeras av en patients immunsystem. Och eftersom dessa celler härrör från en patients hudceller, forskare behöver inte extrahera några celler inifrån kroppen för att bygga ny vävnad. Teamets slutmål är att flytta sitt arbete till kliniska prövningar. "Det kommer att ta åtminstone flera år innan vi når det målet, " sa Chen.