科學突破：3D打印技術成功"造出"會產奶的人工乳腺

2025年7月，南極熊獲悉，蘇黎世聯邦理工學院、科羅拉多大學和加州大學圣地亞哥分校的科研團隊取得重大突破。他們使用3D打印技術創(chuàng)造出一種人工乳腺組織模型，這種模型能夠分泌類似乳汁的蛋白質，為科學家們研究泌乳過程和激素反應提供了全新途徑。



這項由蘇黎世聯邦理工學院Marcy Zenobi-Wong教授領導的研究已發(fā)表在 Science Advances期刊上。研究團隊巧妙地利用母乳中的細胞和3D打印技術，打造出了模仿真實乳腺結構和功能的組織模型。

突破性的技術方法
研究人員采用體積式3D打印技術，配合特制的生物墨水制造出了類似人體乳房導管和腺泡的結構。這些結構正是負責乳汁生成和輸送的關鍵部位。這種特殊的生物墨水由去細胞化的牛乳腺組織制成，保留了超過1,300種蛋白質，包括膠原蛋白、彈性蛋白等重要成分。其中I型膠原蛋白占比超過一半，這使得打印出來的支架能夠模擬真實乳腺組織的特性。


△立體打印仿生支架支持人乳乳腺上皮細胞體外泌乳。

人工組織展現自然反應
為了讓打印材料更接近真實乳腺的物理特性，研究人員向其中添加了適量的I型膠原蛋白，使支架剛度達到約1,000Pa。雖然這低于自然乳腺組織的3,000至5,000Pa，但已足夠在實驗室環(huán)境中培養(yǎng)細胞。這些打印結構在實驗室中能保持完好并使用長達一個多月。

研究團隊采用創(chuàng)新方法，直接從捐贈母乳中提取乳腺上皮細胞，而不是通過傳統的活檢獲取。這些細胞雖然最初只占樣本的11%，經過一輪培養(yǎng)后可以增長到90%以上。它們不僅包含兩種主要類型的乳腺上皮細胞，還保留了對泌乳素（產奶關鍵激素）的反應能力。


△人乳來源的原代乳腺上皮細胞(MECs)在二維體外培養(yǎng)中的表型特征分析

當這些細胞被放入3D打印支架后，僅僅一周內就形成了完整的上皮層。它們不僅保持活性，還開始產生角蛋白CK8和CK14，形成細胞間緊密連接，并生成β-酪蛋白和乳白蛋白等乳汁蛋白質。更令人驚喜的是，它們還發(fā)展出了類似天然乳汁中的脂肪滴。測試顯示，無論是否添加外源泌乳素，這些細胞都能自主將β-酪蛋白分泌到培養(yǎng)基中。

環(huán)境影響細胞行為
研究人員還探究了物理環(huán)境對細胞行為的影響，研究人員制作了不同硬度的支架，發(fā)現在較軟的支架上，細胞會形成向外延伸的分支網絡；而在較硬的支架上，細胞則更傾向于留在打印結構內部。這表明周圍環(huán)境的硬度會影響組織如何組織自身以及細胞的生長方式。

基因分析證實了這些細胞中存在多種產奶調節(jié)因子，包括STAT5、STAT6、ELF5、GATA3和PRLR。團隊還檢測到了活化的STAT5蛋白，這表明泌乳素信號通路正常運作。盡管不同捐贈者的細胞表現出不同的分泌水平，但每個樣本都能對激素做出反應并產生乳汁相關蛋白。


△用于乳腺組織工程應用的高分辨率體積式打印去細胞化乳腺細胞外基質(dECM mam)

模型優(yōu)勢與未來展望
與傳統的類器官模型相比，這種3D打印支架具有明顯優(yōu)勢。它不僅形狀更加一致、更易于監(jiān)測，還允許科研人員精確控制結構并更方便地觀察分泌物質。由于支架在使用前不含細胞，研究人員可以根據需要添加來自不同人群的細胞，無論是健康人還是患者。

未來，這項技術還有很大的改進空間。研究人員計劃添加模擬血流的灌注系統，實現營養(yǎng)物質和激素的實時輸送。他們還考慮用特殊蛋白質如層粘連蛋白或IV型膠原蛋白涂覆支架內表面，以更好地支持長期細胞生長和組織形成。

這一創(chuàng)新模型為研究人類泌乳、激素反應和乳腺組織發(fā)育提供了可靠且易用的工具，對基礎生物學研究有價值，還可用于研究藥物、環(huán)境因素和疾病對乳汁生成的影響。

3D打印技術在母乳研究中的更廣應用
3D打印技術在母乳研究和護理領域還有更多應用。

●抗菌材料開發(fā)商Copper3D開發(fā)了一種3D打印裝置，利用含有納米銅的抗菌材料PLACTIVE，有效降低母乳喂養(yǎng)過程中艾滋病病毒傳播風險。實驗室測試顯示，HIV-1樣本在接觸這種材料表面僅15秒后，病毒復制能力就下降了58.6%。

●來自倫敦大學學院等機構的研究人員開發(fā)的3D打印設備，用于研究新生兒面部觸覺反應，幫助科學家們更好地理解早產兒在母乳喂養(yǎng)中遇到的困難。這種戴在手指上的小裝置可以對嬰兒臉頰進行輕微刺激，同時記錄大腦反應，為研究早期感覺發(fā)育提供了安全有效的方法。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu5793