科研進(jìn)展
蘭州化物所水凝膠軟組織器官模型研究獲新進(jìn)展
現代生物醫學(xué)中，與活體器官、動(dòng)物模型以及人體臨床試驗相比，組織器官模型作為一種可復現人體器官復雜解剖結構的物理模型，具有成本低、符合倫理道德、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的輔助作用。水凝膠具有與生物體良好的柔韌性、粘彈性以及潤濕性等理化性能匹配度。因此，發(fā)展新一代的濕滑水凝膠仿生軟組織器官模型在未來(lái)生物醫學(xué)中具有重大意義。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗室3D打印摩擦器件研究團隊提出了一種基于共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò )和金屬配位網(wǎng)絡(luò )的雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò )策略制備剛度可調的彈性水凝膠。研究人員借助數字光處理3D打印技術(shù)，實(shí)現了各種結構復雜、保真度高、粘彈性可調的濕滑水凝膠軟組織器官的一體化成型，且這些組織器官模型具有復雜的內部流體通道和腔體結構、血管化的組織結構、逼真的解剖結構等。
圖1. 粘彈性可調濕滑水凝膠仿生軟組織器官模型的制備過(guò)程
結合光固化3D打印能制造包括大腦、支氣管、肺、肝臟、心臟、胃、腎臟、腸等在內的各種水凝膠仿生組織器官模型，這些水凝膠軟組織器官模型具有高的結構保真度、結構復雜的腔體結構、可灌注的微通道和異質(zhì)結構等。此外，這些軟組織器官模型具有與人體生物組織相似的粘彈性。
圖2. 粘彈性與人體軟組織相匹配的濕滑水凝膠組織器官模型
研究人員在彈性水凝膠基質(zhì)內還制造了各種可調管狀拓撲結構的流體多通道網(wǎng)絡(luò )結構、曲折的仿生多支叉血管網(wǎng)絡(luò )以及不規則分叉和大小通道的仿生樹(shù)突狀血管網(wǎng)絡(luò )。
圖3. 制造的復雜流體通道網(wǎng)絡(luò )和仿生多血管網(wǎng)絡(luò )
體外模擬測試表明，與傳統的硅膠和聚氨酯組織器官模型相比，具有復雜曲折腦動(dòng)脈的濕滑水凝膠組織器官模型為體外模擬導絲介入過(guò)程中提供了優(yōu)異的水潤滑性能，具有更加接近天然血管的理化微環(huán)境和仿真結構。
圖4. 用于模擬體外導絲介入的濕滑水凝膠仿生器官模型
該研究工作為發(fā)展新一代的濕滑水凝膠仿生軟組織器官模型提供了新的設計思路。同時(shí)，在體外生物醫學(xué)培訓、醫療器械測試以及器官芯片等領(lǐng)域具有潛在的應用前景。
該研究成果以“Engineering Tridimensional Hydrogel Tissue and Organ Phantoms with Tunable Springiness”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。蘭州化物所博士生劉德勝為該論文第一作者，特別研究助理蔣盼博士、王曉龍研究員、劉維民院士為通訊作者。
以上研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、中科院“西部之光”交叉創(chuàng )新團隊項目、甘肅省科技計劃等項目的支持。
