科研進展
蘭州化物所水凝膠軟組織器官模型研究獲新進展
現(xiàn)代生物醫(yī)學中，與活體器官、動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(xiàn)人體器官復雜解剖結(jié)構(gòu)的物理模型，具有成本低、符合倫理道德、易于操作等優(yōu)點，在生物醫(yī)學領域發(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生物醫(yī)學中具有重大意義。
中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室3D打印摩擦器件研究團隊提出了一種基于共價交聯(lián)網(wǎng)絡和金屬配位網(wǎng)絡的雙交聯(lián)網(wǎng)絡策略制備剛度可調(diào)的彈性水凝膠。研究人員借助數(shù)字光處理3D打印技術，實現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)復雜、保真度高、粘彈性可調(diào)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(nèi)部流體通道和腔體結(jié)構(gòu)、血管化的組織結(jié)構(gòu)、逼真的解剖結(jié)構(gòu)等。
圖1. 粘彈性可調(diào)濕滑水凝膠仿生軟組織器官模型的制備過程
結(jié)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(nèi)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(jié)構(gòu)保真度、結(jié)構(gòu)復雜的腔體結(jié)構(gòu)、可灌注的微通道和異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(nèi)還制造了各種可調(diào)管狀拓撲結(jié)構(gòu)的流體多通道網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、曲折的仿生多支叉血管網(wǎng)絡以及不規(guī)則分叉和大小通道的仿生樹突狀血管網(wǎng)絡。
圖3. 制造的復雜流體通道網(wǎng)絡和仿生多血管網(wǎng)絡
體外模擬測試表明，與傳統(tǒng)的硅膠和聚氨酯組織器官模型相比，具有復雜曲折腦動脈的濕滑水凝膠組織器官模型為體外模擬導絲介入過程中提供了優(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(jié)構(gòu)。
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，在體外生物醫(yī)學培訓、醫(yī)療器械測試以及器官芯片等領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研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、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。
