壓力下的生物打印：利用3D打印技術構建肺模型，研究極端環(huán)境的影響

魔猴君  科技前沿   14天前

當飛行員和宇航員翱翔藍天時，他們的身體所處的環(huán)境遠比地球上極端。為了更好地了解人類在這些極端條件下的反應，德克薩斯農工大學的研究人員在美國空軍科學研究辦公室的支持下，正利用活體肺細胞進行生物打印。他們的目標有兩個：一是提高航空和航天飛行的安全性，二是加速呼吸系統(tǒng)疾病的研究和治療。

在航空領域，高溫、高壓和低氧環(huán)境都會對人體造成損害。例如，海拔或氣壓的快速變化會導致肺部積液，而高溫則可能引發(fā)中風、組織損傷甚至器官衰竭。傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)無法模擬如此復雜環(huán)境下的細胞變化。而三維細胞模型則能更真實地展現(xiàn)人體細胞在壓力下的行為，從而為更精準的測試鋪平道路。

飛行員在飛行過程中會面臨極大的身體挑戰(zhàn)。（圖片來源：空軍中士托馬斯·梅內金）

重現(xiàn)極端條件

為了精確模擬肺細胞對惡劣環(huán)境的反應，德克薩斯農工大學的研究團隊需要高度控制的生物打印參數(shù)，以確保細胞的存活率。“即使是生物打印過程中微小的調整，也會對細胞的存活率和增殖產(chǎn)生顯著影響，”文理學院教授秦洪民博士解釋說，“通過微調這些參數(shù)，我們正在為組織工程領域的未來發(fā)展奠定基礎。”

研究人員通過一系列針對性實驗模擬了極端條件。在發(fā)表于《仿生學》（Biomimetics）雜志的一項研究中，研究團隊改變了打印過程中的擠出壓力。他們發(fā)現(xiàn)，更高的壓力會導致更多的細胞死亡。在另一項發(fā)表于《生物工程》（Bioengineering）雜志的研究中，他們將3D打印的樣本暴露于不同的溫度下，最高溫度達55°C。他們觀察到，更高的溫度會增加氧化應激并降低細胞存活率。秦教授指出：“壓力和溫度方面的研究結果凸顯了采用精確技術來維持3D生物打印樣本中肺細胞活力的必要性，并揭示了細胞如何應對環(huán)境壓力?！?/span>

該團隊還創(chuàng)造了一種優(yōu)化的生物墨水配方：膠原蛋白和藻酸鹽以4:1的比例混合，在六天內保持了令人印象深刻的85%的細胞活力，為未來的研究提供了有希望的基礎。

3D打印肺模型在航空航天以外的應用

除了滿足國防優(yōu)先事項外，該項目還為醫(yī)學研究提供了諸多機遇。通過構建逼真的3D打印肺細胞培養(yǎng)模型，該團隊創(chuàng)建了一個平臺，用于研究慢性阻塞性肺疾病（COPD）等呼吸系統(tǒng)疾病，并加速藥物篩選進程。展望未來，該團隊計劃采用相同的方法按需生產(chǎn)生物工程組織。

實驗設計概述，展示了擠壓壓力的影響。（圖片來源：Taieba Tuba Rahman等）

這項研究是對其他領域已取得進展的補充。今年早些時候，加拿大安大略省麥克馬斯特大學的研究人員開發(fā)了一種生物墨水，能夠復制肺組織的彈性和延展性，使其特別適用于模擬慢性阻塞性肺?。?/span>COPD）和肺纖維化等疾病，以及進行毒性和藥物反應測試。同樣在今年，美國國土安全部科學技術司與維克森林再生醫(yī)學研究所合作，利用3D打印的肺組織分析了有毒氣體對人體健康的影響。這些項目共同表明，仿生3D模型正逐漸成為診斷、毒理學和治療研發(fā)的實用平臺。

編譯整理：3dnatives