維也納理工大學(xué)與慶應(yīng)義塾大學(xué)的研究人員，發(fā)現(xiàn)了一種快速、可重復(fù)地在微型器官模型中創(chuàng)建人工血管的方法。該技術(shù)利用飛秒超短激光脈沖，在水凝膠中刻寫出高度精細(xì)的三維結(jié)構(gòu)。

在生物醫(yī)學(xué)研究中，器官芯片正變得越來越重要：通過在精密控制的微流控芯片中培養(yǎng)組織結(jié)構(gòu)，可以比使用活體人類或動物進行實驗獲得更準(zhǔn)確的研究結(jié)果。

肝小葉結(jié)構(gòu)示意圖（左）與芯片上血管化肝小葉培養(yǎng)9天后的三維視圖（右）

但始終存在一個主要障礙：這類微型器官若缺乏血管系統(tǒng)就不完整。為了促進系統(tǒng)性研究并確保與活體生物的有效對比，必須創(chuàng)建可灌注的血管和毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)——且構(gòu)建方式必須精確可控、結(jié)果可重復(fù)。

“若要研究特定藥物如何在不同人體組織中運輸、代謝和吸收，就需要最精細(xì)的血管網(wǎng)絡(luò)，”維也納理工大學(xué)研究員Alice Salvadori解釋道。目前這類微血管網(wǎng)絡(luò)的形狀和尺寸仍難以控制?；谧越M織的方法中，不同樣本間的血管幾何結(jié)構(gòu)差異顯著，導(dǎo)致無法開展生物醫(yī)學(xué)研究所需的、具備重復(fù)性的精密控制實驗。

“我們能創(chuàng)建間隔僅百微米的通道。這在復(fù)制特定器官中血管自然密度時至關(guān)重要，”Aleksandr Ovsianikov表示。精度并非唯一要求：人工血管必須快速成型，并在植入活細(xì)胞后保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。“我們知道細(xì)胞會主動重塑周圍環(huán)境，這可能導(dǎo)致血管變形甚至塌陷，”Salvadori指出，“因此我們還優(yōu)化了材料制備工藝。”

團隊摒棄標(biāo)準(zhǔn)的一步凝膠法，采用兩步熱固化工藝：分兩個溫度階段對水凝膠加熱而非單一溫度。這改變了其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，生成更穩(wěn)定的材料。其中形成的血管能長期保持通暢和形態(tài)穩(wěn)定。

“我們不僅證明了可制造真正可灌注的人工血管，更重要的是開發(fā)出了適用于工業(yè)規(guī)模的可擴展技術(shù)，”Ovsianikov強調(diào)，“30條血管通道的圖案化僅需10分鐘，效率至少是其他技術(shù)的60倍。”

要在芯片上真實模擬生物過程，人工組織必須表現(xiàn)出與天然組織相同的特性。“我們證實這些人工血管能被內(nèi)皮細(xì)胞成功定植，且其反應(yīng)與體內(nèi)真實血管完全一致，”Salvadori舉例說，“例如對炎癥的反應(yīng)相同——通透性增加，就像真實血管那樣。”

研究者認(rèn)為，這標(biāo)志著器官芯片技術(shù)向成為醫(yī)學(xué)研究多領(lǐng)域工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)邁出了重要一步。慶應(yīng)義塾大學(xué)的Masafumi Watanabe表示：在器官芯片研究中，復(fù)制肝臟致密復(fù)雜的微血管系統(tǒng)長期存在挑戰(zhàn)。通過構(gòu)建貫穿整個組織體積的多層微血管，我們確保了充足的營養(yǎng)和氧氣供應(yīng)——進而提升了肝臟模型的代謝活性。相信這些進展讓我們更接近將器官芯片技術(shù)整合到臨床前藥物研發(fā)的階段。