斯坦福大學新算法提速200倍：5小時內(nèi)精準打印復雜心臟血管網(wǎng)絡

2025年6月13日，南極熊獲悉，斯坦福大學的研究人員開發(fā)出一種更快、更精確的血管系統(tǒng)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(guān)鍵難題。

△研究成果已發(fā)表在《science》雜志上，題目為“用于生物制造的器官規(guī)模合成血管的快速模型指導設計”（傳送門）

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(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是如何精確模擬復雜的血管系統(tǒng)，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(guī)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(guī)模便無法擴大。因此，我們已經(jīng)優(yōu)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(xiàn)在能夠構(gòu)建出復雜的血管結(jié)構(gòu)，例如器官內(nèi)的血管網(wǎng)絡。”

△研究團隊新方法不僅能夠以前所未有的速度生成與人體內(nèi)實際血管結(jié)構(gòu)相似的設計，還能將這些設計直接轉(zhuǎn)化為適用于3D打印機的指令

構(gòu)建定制化血管網(wǎng)絡

當血液被泵送到體內(nèi)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(yǎng)物質(zhì)的交換。在大多數(shù)組織中，細胞需要在距離毛細血管僅一根頭發(fā)絲的寬度內(nèi)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(wǎng)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(gòu)建一個與獨特復雜器官相匹配的真實血管網(wǎng)絡模型一直是一個極具挑戰(zhàn)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(zhuǎn)向使用標準化的晶格結(jié)構(gòu)。雖然這些晶格在小型工程組織模型中表現(xiàn)良好，但在更大規(guī)模的組織工程中，它們的適用性并不高。

△合成血管工具包的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能

生物3D打印打印心臟

為解決這一問題，Marsden和她的同事們構(gòu)建了一種算法，可創(chuàng)建與原生器官高度相似的血管樹。他們結(jié)合流體動力學模擬，確保血管系統(tǒng)均勻分布血液，并成功縮短了生成網(wǎng)絡的時間，避免了血管間的碰撞，創(chuàng)建了一個具有單一入口和出口的閉環(huán)系統(tǒng)。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(wǎng)絡的技術(shù)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(tǒng)材料如樹脂或金屬），研究人員創(chuàng)建了一個包含人類胚胎腎細胞的厚環(huán)結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了一個包含25條血管的網(wǎng)絡，且在該網(wǎng)絡內(nèi)的人類胚胎腎細胞保持了良好的存活狀態(tài)。

△合成血管在生物3D打印制造中的應用

研究人員很快注意到，這些血管網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)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(xiàn)這一點。”

Skylar-Scott教授表示：“我們已經(jīng)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(jié)構(gòu)。接下來，我們將繼續(xù)優(yōu)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(nèi)，我們將能夠打印出具備完整血管網(wǎng)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(xù)的解決方案。隨著技術(shù)進步，個性化移植器官和再生醫(yī)學有望在不久的將來實現(xiàn)，拯救眾多等待器官移植的患者。