與活體器官、動物模型以及人體臨床試驗相比，具有仿生結構的三維組織器官模型在體外手術訓練和生物醫(yī)學設備測試等應用至關重要，因為它們不僅真實地反映了生物體的生物結構、形態(tài)和生理微環(huán)境，而且具有成本低、符合倫理道德、易于操作等優(yōu)點。然而，迄今為止體外仿生組織器官模型的制造和應用仍面臨許多未解決的挑戰(zhàn)。一方面，傳統(tǒng)注模技術所制造的器官模型缺乏精準仿制生物器官復雜結構特性的能力。另一方面，目前的器官模型無法精確模擬生物體的理化特性，例如柔韌性、粘彈性以及潤濕性等。上述問題表明，目前的組織模擬材料和工程技術難以制造與人體軟組織機械特性、理化微環(huán)境和仿生結構均匹配的器官模型，這對目前的仿生軟組織器官模型仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。
基于此，中國科學院蘭州化學物理研究所劉維民院士/王曉龍研究員團隊在Advanced Functional Materials上發(fā)表文章Engineering Tridimensional Hydrogel Tissue and Organ Phantoms with Tunable Springiness，如圖1所示，提出了一種基于共價交聯(lián)網(wǎng)絡和金屬配位網(wǎng)絡的雙交聯(lián)網(wǎng)絡策略來制備剛度可調(diào)的彈性水凝膠，其彈性水凝膠的彈性模量（軟硬度）可以通過調(diào)節(jié)水凝膠組分和金屬配位鍵的密度，使其從幾千帕到幾百千帕之間靈活調(diào)控來匹配不同的生物軟組織；同時借助數(shù)字光處理3D打印技術實現(xiàn)了各種結構復雜、保真度高、機械可調(diào)的濕滑水凝膠軟組織器官三維結構的一體化成型，且這些水凝膠軟組織器官模型具有復雜的內(nèi)部通道和腔體結構、血管化的組織結構、逼真的解剖結構等。這些機械精確可調(diào)的仿生水凝膠軟組織器官模型在外科手術訓練、醫(yī)療設備測試和器官芯片等領域具有潛在的應用前景。
圖1 彈性雙網(wǎng)絡水凝膠的設計及濕滑水凝膠軟組織器官模型的制造如圖2所示，利用多種可調(diào)剛度的彈性水凝膠來匹配天然軟組織的機械特性，并結合數(shù)字光處理3D打印技術制造了大腦、支氣管、肺、肝臟、心臟、胃、腎臟以及腸等具有高保真度和三維復雜結構的水凝膠組織器官模型。此外，這些水凝膠軟組織器官模型具有結構復雜的腔體、可灌注的微通道以及異質(zhì)結構。
圖2 剛度與天然軟組織特性相匹配的濕滑水凝膠仿生組織器官模型如圖3所示，3D打印的水凝膠器官模型具有復雜的內(nèi)部通道和腔體結構，以及更接近于天然心臟器官的外部逼真解剖結構。此外，這些類組織彈性水凝膠還具有可調(diào)控的粘彈性，且與各種活組織器官的粘彈性非常相似。
圖3 濕滑水凝膠軟組織器官模型的解剖細節(jié)及粘彈性能人體組織器官含有許多復雜的血管網(wǎng)絡拓撲結構。如圖4所示，在彈性水凝膠基質(zhì)內(nèi)制造了許多具有可調(diào)管狀拓撲結構的流體多通道網(wǎng)絡結構。此外，在彈性水凝膠中設計和制造了具有曲折的仿生多支叉血管網(wǎng)絡和不規(guī)則分叉和大小通道的仿生樹突狀血管網(wǎng)絡。
圖4 彈性水凝膠基質(zhì)中制造的流體通道網(wǎng)絡和仿生多血管網(wǎng)絡結構由于水凝膠基的濕滑組織器官模型可以重構與天然血管相似的微環(huán)境。如圖5所示，設計的具有復雜曲折腦動脈和濕滑特性的3D打印水凝膠人腦模型可作為模擬血管內(nèi)介入治療的有效仿真平臺，其為血管內(nèi)介入治療領域解決一些臨床和技術挑戰(zhàn)開辟創(chuàng)新新型道路。
圖5 3D打印濕滑水凝膠仿生器官模型的體外導絲介入演示相關研究工作目前以“Engineering Tridimensional Hydrogel Tissue and Organ Phantoms with Tunable Springiness"為題目發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者為中國科學院大學博士生劉德勝，通訊作者為中國科學院蘭州化學物理研究所特別研究助理蔣盼博士、王曉龍研究員、劉維民院士。該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科學院“西部之光"交叉創(chuàng)新團隊項目、甘肅省科技計劃項目等的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214885
來源：高分子科學前沿
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