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  在現代生物醫學中，組織器官模型是用于模擬人體結構形態和生理環境的體外生物醫用器械，目前已經廣泛應用于術前訓練、醫療教學、輔助診斷以及新型醫療器械的開發測試。毫無疑問地，相比于活體器官、動物試驗和人體臨床試驗以及先進的虛擬現實（VR）等醫療輔助測試手段，組織器官模型能夠真實地反映生物體的組織器官結構形態和生理環境，同時具有低成本、合乎倫理道德以及易于操作實施的特點，使其在發育生物學、疾病研究、手術治療、新藥研發和再生醫學領域表現出顯著的優勢。盡管目前硅膠和塑料的組織器官模型能夠重現組織器官的形態結構并投入實際的醫療應用中，但該類材料很難模擬構建生理環境和組織器官的理化特性。然而，水凝膠作為一種濕滑的軟材料，和生物體具有良好的理化性能匹配度以及生物相容性，在生物醫學中廣泛研究和應用。因此，發展具有生物幾何形狀的下一代水凝膠基的人體器官模型以真實地模擬組織器官的生理環境和界面物質交換在未來生物醫學中意義重大。

  中科院蘭州化學物理研究所王曉龍研究員、周峰研究員等人提出了3D打印熱可逆水凝膠模板結合金屬離子誘導超分子組裝策略，實現了具有內部通道、合適力學性能、梯度結構以及物質交換界面的仿真濕滑水凝膠組織器官模型。該策略能夠容易地制備水凝膠組織器官模型，其具有良好的結構完整性、仿真形狀和尺寸、大跨度中空腔室和通道、可調控的力學性能以及物質交換界面。基于此，研究者設計制備了一系列人體器官模型，包括分支血管、消化系統、末梢肺泡以及腎小球等，在體外生物醫學培訓、藥理學評價以及醫療器械測試等方面具有潛在的應用前景。該研究以題為“Growing Hydrogel Organ Mannequins with Interconnected Cavity Structures”發表在《Advanced Functional Materials》上。

水凝膠器官模型的制備

  對于熱場輔助3D打印水凝膠而言，設計具有合適“打印窗口”的水凝膠墨水是關鍵問題。從分子間作用力的角度設計水凝膠墨水，將兩種天然大分子進行復配，利用兩種分子官能團之間的靜電相互作用、氫鍵相互作用以及物理纏結，制備出具有合適加工窗口（40-45 ℃）的熱可逆水凝膠墨水，適宜用熱場輔助墨水直書寫技術制備3D復雜結構的熱可逆水凝膠模板。引入經典的海藻酸鈉/Ca²⁺ 利用超分子組裝構筑物理交聯水凝層。通過表面吸附的方式將金屬配位離子（Ca²⁺）負載于3D打印的水凝膠模板表面，然后浸沒于一定濃度的海藻酸鈉溶液中，利用快速界面誘導擴散凝膠化機制在水凝膠模板的表面組裝一層海藻酸鈉/Ca²⁺水凝膠。最后通過進一步離子配位強化和加熱去除熱可逆的水凝膠模板，得到具有完整結構的中空水凝膠結構。

圖1. 仿真濕滑水凝膠組織器官模型的制備過程

  該方案提供了一個綠色、高效、易于執行的中空水凝膠結構制備方法。作者制備了具有任意復雜的3D組織器官模型，包括肺、血管網絡、肝、手、膀胱、胃部、腸等生物器官結構。特別地，基于水凝膠可調控的力學性能，考慮到不同組織器官的模量差異以及梯度結構，作者通過超分子層層組裝構筑了具有梯度結構的水凝膠組織器官模型。這些生物組織結構模型在生物醫學的不同研究和應用領域具有重要的意義。

圖2. 仿真濕滑水凝膠組織器官模型

水凝膠器官模型的體外模擬測試

  作者首先制備了水凝膠血管用于模擬導絲介入過程。結果表明，相比于傳統的硅膠基和樹脂基血管模型，水凝膠獨特的濕滑特性提供了優異的水潤滑性能，更加接近真實的血管生理環境，當醫用導絲在水凝膠血管中介入時，能夠表現出較好的順滑度，具有更低的摩擦系數和更穩定的摩擦行為。另外，作者還展示了水凝膠消化系統模型，用于模擬體外可控藥物釋放過程。相比于標準的硬質體外消化系統而言，水凝膠消化系統模型具備仿真的幾何結構和通道，同時提供了生理微環境，有助于體外測試評價。因此，體外水凝膠器官模型具有匹配的物理化學特性以及仿真生理環境，對于體外測試和醫療器械研究具有重要意義。

圖3. 水凝膠血管復制品用于模擬導絲介入和消化系統模擬藥物釋放

實體器官模型模擬生物界面物質交換

  作者進一步展示了水凝膠器官模型模擬生物界面物質交換的潛力。通過兩步分別制備了具有腔室和血管網絡的末梢肺泡結構和腎小球模型。從末梢支氣管結構進行換氣時，末梢肺泡發生擴張和收縮，實現外部毛細管網絡中液體的輸運�；谒z的物質交換特性，腎小球模型模擬了內部毛細血管結構向外部腎小囊結構擴散的過程。因此，水凝膠器官模型可以作為仿真平臺，提供類似于生物體的物質交換的動態環境，為未來種植細胞培養模擬生理功能提供了重要思路。

圖4. 水凝膠末梢肺泡和腎小球模擬物質交換

  論文的第一作者是中國科學院蘭州化學物理研究所特別研究助理蔣盼博士，通訊作者為王曉龍研究員和周峰研究員，該研究工作獲得了國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目和甘肅省重點研發項目的支持。

  論文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108845

  中科院蘭州化物所固體潤滑國家重點實驗室3D打印摩擦器件組長期致力于3D打印高性能聚合物的研發，實現了3D打印功能水凝膠及濕滑水凝膠器官模型制造，包括水凝膠鼻腔、腦部、耳朵、瓣膜、動脈、全尺寸心臟等仿真生物結構的個性化制造，歡迎感興趣的同行合作指導。

3D打印水凝膠組織器官模型

  下載：Growing Hydrogel Organ Mannequins with Interconnected Cavity Structures