當(dāng)飛行員和宇航員翱翔藍(lán)天時(shí)，他們的身體所處的環(huán)境遠(yuǎn)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(yīng)，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員在美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室的支持下，正利用活體肺細(xì)胞進(jìn)行生物打印。他們的目標(biāo)有兩個(gè)：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(lǐng)域，高溫、高壓和低氧環(huán)境都會(huì)對(duì)人體造成損害。例如，海拔或氣壓的快速變化會(huì)導(dǎo)致肺部積液，而高溫則可能引發(fā)中風(fēng)、組織損傷甚至器官衰竭。傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)無法模擬如此復(fù)雜環(huán)境下的細(xì)胞變化。而三維細(xì)胞模型則能更真實(shí)地展現(xiàn)人體細(xì)胞在壓力下的行為，從而為更精準(zhǔn)的測(cè)試鋪平道路。

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

重現(xiàn)極端條件

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

研究人員通過一系列針對(duì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)M了極端條件。在發(fā)表于《仿生學(xué)》（Biomimetics）雜志的一項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)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(huì)導(dǎo)致更多的細(xì)胞死亡。在另一項(xiàng)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(dá)55°C。他們觀察到，更高的溫度會(huì)增加氧化應(yīng)激并降低細(xì)胞存活率。秦教授指出：“壓力和溫度方面的研究結(jié)果凸顯了采用精確技術(shù)來維持3D生物打印樣本中肺細(xì)胞活力的必要性，并揭示了細(xì)胞如何應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力?！?/span>

該團(tuán)隊(duì)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(nèi)保持了令人印象深刻的85%的細(xì)胞活力，為未來的研究提供了有希望的基礎(chǔ)。

3D打印肺模型在航空航天以外的應(yīng)用

除了滿足國(guó)防優(yōu)先事項(xiàng)外，該項(xiàng)目還為醫(yī)學(xué)研究提供了諸多機(jī)遇。通過構(gòu)建逼真的3D打印肺細(xì)胞培養(yǎng)模型，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)平臺(tái)，用于研究慢性阻塞性肺疾?。–OPD）等呼吸系統(tǒng)疾病，并加速藥物篩選進(jìn)程。展望未來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃采用相同的方法按需生產(chǎn)生物工程組織。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)概述，展示了擠壓壓力的影響。（圖片來源：Taieba Tuba Rahman等）

這項(xiàng)研究是對(duì)其他領(lǐng)域已取得進(jìn)展的補(bǔ)充。今年早些時(shí)候，加拿大安大略省麥克馬斯特大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種生物墨水，能夠復(fù)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(jìn)行毒性和藥物反應(yīng)測(cè)試。同樣在今年，美國(guó)國(guó)土安全部科學(xué)技術(shù)司與維克森林再生醫(yī)學(xué)研究所合作，利用3D打印的肺組織分析了有毒氣體對(duì)人體健康的影響。這些項(xiàng)目共同表明，仿生3D模型正逐漸成為診斷、毒理學(xué)和治療研發(fā)的實(shí)用平臺(tái)。

編譯整理：3dnatives