激光焊接糖是通往3D打印血管的最佳方法

糖粉是莱斯大学食谱中的特殊成分，用于模仿人体在实验室生长的组织中错综复杂的分支血管。

在今天发表在《自然生物医学工程》杂志上的研究中，赖斯生物工程师表明，他们可以通过从3D打印糖的模板中创建复杂的血管网络，在相对较大的构建体中使密集包装的细胞存活两周。

赖斯布朗工程学院生物工程研究生Ian Kinstlinger说：“工程化与临床相关的组织的最大障碍之一就是将一个大的组织结构与数亿个活细胞包装在一起。”“在如此大的组织中为所有细胞提供足够的氧气和营养，这是一个巨大的挑战。”

Kinstlinger解释说，大自然通过复杂的血管网络的发展解决了这个问题，该网络以类似于树枝的方式编织在我们的组织和器官中。随着血管从中央躯干分支出来，血管的厚度同时变小，但数量却增加，从而使氧气和营养物质有效地传递到全身的细胞。

金斯特林格说：“通过开发模仿自然存在的血管网络的新技术和新材料，我们已经接近可以为足够数量的细胞提供氧气和营养以达到有意义的长期治疗功能的地步。”

在研究的共同作者，赖斯生物工程助理教授约旦·米勒(Jordan Miller)的实验室中，用开放源代码，经过修改的激光切割机对糖模板进行了3D打印。

米勒说：“我们在这里开发的3D打印过程就像制作非常精确的焦糖布丁一样。”他的最初灵感来自该项目的精致甜点。

米勒说，复杂而细致的结构是通过选择性激光烧结实现的，选择性激光烧结是一种将细微的粉末颗粒融合成固体3D对象的3D打印过程。与更普通的挤出3D打印不同，在挤出3D打印中，熔化的材料束通过喷嘴沉积，而激光烧结则通过在干燥粉末填充床中轻轻熔化并融合小区域来进行工作。他说，挤压和激光烧结都可以一次形成一个2D层的3D形状，但是激光方法可以生成结构，否则结构如果被挤压就很容易塌陷。

米勒说：“存在某些架构，例如悬垂结构，分支网络和多血管网络，这些在挤出印刷中确实无法很好地完成。”他在博士后期间演示了用3D挤出打印机进行糖模板化的概念。在宾夕法尼亚大学学习。米勒(Miller)在2013年加入莱斯(Rice)后不久就开始从事激光烧结方法的研究。

他说：“选择性激光烧结使我们在所有三个维度上都拥有更多的控制权，使我们能够轻松访问复杂的拓扑结构，同时仍保留糖材料的效用。”

糖在创建血管模板方面特别有用，因为它在干燥时会很持久，并且可以迅速溶于水而不会损坏附近的细胞。为了制作薄纸，Kinstlinger使用一种特殊的糖混合物来印刷模板，然后用液体凝胶中的细胞混合物填充印刷糖网络周围的体积。凝胶在数分钟内变成半固体，然后糖溶解并冲走，留下了养分和氧气的开放通道。

Kinstlinger说：“这种方法的主要好处是我们可以快速生成每种组织结构。”“我们可以在不到五分钟的时间内创建出一些迄今为止最大的组织模型。”

米勒说，这项新研究回答了两个重要问题：哪些糖可以烧结成连贯的结构，什么计算算法可以衍生出模仿自然界中发现的复杂分支结构?

与神经系统(Nervous System)合作创建了在研究中生成树状血管结构的计算算法，该系统使用计算机仿真制作受自然界图案启发的独特艺术品，珠宝和家庭用品。

《神经系统》杂志的联合创始人兼创意总监，研究合著者杰西卡·罗森克兰茨(Jessica Rosenkrantz)说：“我们正在使用受自然启发的算法来创建组织的功能网络。”“由于我们的方法是算法性的，因此有可能创建针对不同用途的定制网络。”

在创建了以这些可计算生成的血管结构图案化的组织后，研究小组展示了通道内内皮细胞的播种，并致力于研究周围组织中生长的细胞(包括称为肝细胞的啮齿动物肝细胞)的存活和功能。肝细胞实验是与华盛顿大学(UW)生物工程师和研究合著者凯利·史蒂文斯(Kelly Stevens)合作进行的，凯利·史蒂文斯(Kelly Stevens)的研究小组专门研究脆弱的细胞，众所周知，这些细胞很难在体外维持。

史蒂文斯说：“与许多其他生物打印技术相比，这种方法可用于更广泛的材料混合物”。“这使它具有了难以置信的通用性。”

Miller说：“我们证明了通过3D血管网络进行灌注使我们能够维持这些大型的肝样组织。尽管维持肝细胞功能仍然存在着长期的挑战，但是在产生大量组织并维持其中的细胞的能力方面，足够的时间来评估其功能，这是令人兴奋的一步。”