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韩国研究人员3D打印功能性气道芯片




 2018年12月24日,南极熊从外媒获悉,来自浦项科技大学(POSTECH)和首尔国立大学(SNU)的韩国研究人员团队3D打印了一个功能性气道芯片。“芯片”模拟生化反应的模型,这些模型用于研究疾病及其治疗效果。在这种情况下,呼吸道易患疾病,如哮喘,慢性肺病和鼻窦炎。 
     
    通过创建含有从猪气管分离的细胞外基质(dECM)和从人气管分离的粘膜细胞混合物的生物墨水,研究团队能够3D打印具有与上皮细胞连接的血管网络装置。该研究的主要作者JuYoungPark解释说:“我们通过在一步打印过程中使用dECM生物墨水组装内皮细胞和成纤维细胞,再现了一种类似体内的3D血管网络。” 
     
    Park说:“我们生产的结构具有与生物气道上皮细胞相同的生理功能,因此可用于模拟哮喘等疾病”,他们详细说明打印的气道暴露于尘螨时表现出天然的过敏反应。“例如,血管的存在导致我们的气道模型中过量产生促炎细胞因子。这个过程(也称为“细胞因子风暴”)发生在哮喘气道炎症和过敏原诱导的生理环境中的哮喘恶化过程中。 
     
    该研究中使用的六头3D生物打印机相当先进。“其中两个打印头连接到一个气动压力系统,该系统分配合成聚合物以制造气道支撑框架,”Park评论道。“其他四个打印头在三轴电动平台上运行,我们使用计算机程序控制它们的运动。” 
人体呼吸道非常复杂,膜层彼此相互作用。“为了模仿这种复杂的2D/3D结构和气道粘膜的细胞组成,我们在3D血管平台上组装了一个2D气道上皮,”Park解释道。“我们通过3D细胞打印重建了含有内皮细胞、成纤维细胞及dECM生物墨水的自然3D血管网络。事实上,dECM生物墨水为细胞提供了一种体内样的天然组织生态位,可诱导组织特异性分化和功能。 
    尽管涉及复杂程度,但3D生物打印技术比其他制造芯片上器官的方法更有效。“我们的3D细胞打印系统使我们能够以高通量轻松制作气道原型,并允许我们将各种类型的细胞直接放置在气道结构的特定位置,以模拟细胞如何在自然组织中排列,”Park说。“该技术可用于设计多种类型的芯片,甚至可以用于除气道以外的打印器官模型。” 
    在动物和人体上测试药物是昂贵的,耗时的并且通常是不道德的,因此产生准确模仿人体器官的芯片上器官是推进药物的必要步骤。“我们的新模型可用于研究这些相互作用,并更好地了解它们在人类呼吸系统疾病中的作用,”Park说。“因此,3D细胞打印的气道芯片可用作动物模型的有力补充,用于分析病理生理学和测试临床前阶段药物的效率。” 



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