生物工程师Jordan Miller：3D打印器官置换的临床试验可能在5至10年内开始

2001年，在麻省理工学院高分子科学与工程学教授约阿尼斯·扬纳斯（Ioannis Yannas）的一次演讲中，乔丹·米勒（Jordan Miller）发现了他的职业。Yannas是麻省理工学院著名的纤维和聚合物专家，他在烧伤患者上植入人造皮肤的多年工作达到了高潮，并在年轻的Miller急切地加入他的研究实验室时向他解释了他在该领域的进展。二十年后，米勒（Miller）革新了生物工程领域，因为他在生物打印组织方面的突破性技术使他更接近3D打印替换器官。

大多数人永远不会忘记di一次成功的经历，而对于Miller而言，学习如何创建功能与真实事物一样的人造组织一直是他的终生愿望。为了在生物打印领域进一步进步，米勒开始研究器官结构的复杂性，尤其是如何为组织构建体提供血管结构。

3DPrint.com与Miller进行了交谈，以了解他的工作以及生物打印领域的发展前景，当时，这位科学家表示，他的整个哲学都基于模仿组织的血管结构概念。他解释说，血管结构的复杂性是一个至今仍未解决的问题，也是他多年来一直关注的问题。 

“由于研究可用的技术能力呈指数级增长，有一个非常令人兴奋的理由。我们一直在注视着细胞生物学的世界，以了解细胞内部正在发生的事情，但是细胞外的一切都是我们的领域专长-特别是在我们试图解决数十年来如何构建血管的问题时，着重研究细胞外空间建筑。如果我们能够解决这个问题，我们相信我们可以进一步推动细胞生物学领域的发展。”

米勒（Miller）现在是莱斯大学（Rice University）的生物工程学助理教授，与生物工程学团队一起，于去年开发了一种名为SLATE 的新生物打印技术，该技术是“组织工程立体光刻设备”的缩写。它使科学家能够创建复杂的多血管网络，模仿体内发现的血管，并且是将血液，氧气和营养物质输送到器官和组织的必不可少的通道。

突破性的开源生物打印技术，它利用增材制造技术来制造软水凝胶，已被用于模仿肺囊的原理模型，该囊包含直径为300微米（0.3毫米）的血管网，并且没有接触附近的航空公司。该模型对于测试如何向流动的人类红细胞输送氧气非常有用。另外，米勒的小组报告了将含有肝细胞的生物打印结构植入小鼠体内的实验。

米勒说：“在已知的宇宙中，没有什么比我们体内的结构复杂，因此这是一个非常惊人的制造挑战，也是令人难以置信的令人兴奋的科研机会。” “用细胞兼容的材料来重建一个血管网络非常困难，我们知道每个人都为此而苦苦挣扎。但是我们的器官并不只有一个血管网络，它们具有许多血管结构。借助SLATE，我们意识到新技术的功能为我们提供了前所未有的设计自由，因此我们可以真正解决多脉管系统的问题。”

用于测试的模拟肺气囊的比例模型（来源：杰夫·菲特洛/莱斯大学）

像生物工程领域的其他人一样，他专注于创造可以使人造器官起作用的脉管系统。Miller认为利用3D生物打印领域解决生物学中的基本问题是一个绝好的机会，因为没有比3D打印更好的建筑方法了。该技术已经存在了近40年，但专家正在对其进行调整，“以更好的方式处理生物领域，这将使我们的结构更加复杂，从而使功能更加复杂。” 

米勒说：“我们基于光聚合技术，弄清了如何对生物材料进行改造，这些材料过去一直用于制造固体状的组织状材料。” “我们的想法是，我们可以将液体溶液倒入定制的3D打印机中，然后在其上发出蓝光以引发化学反应，该化学反应会将溶液交联成具有明胶稠度以形成生物相容性的水基材料。材料。但是，我们的工艺存在局限性，因此我们对化学方法进行了修改，使我们能够解决和发现以前无法实现的新设计功能。”

实际上，该团队决定不再依赖立体光刻中使用的一些常见的有毒阻光化学品（例如苏丹I），该药物有毒并可能诱发癌症，因此该团队决定选择合成和天然食用染料，例如酒石黄（黄色食用色素）。 ），以立体平版生产包含复杂和功能性血管结构的水凝胶。

随着Miller和他的团队继续致力于开发生物工程学所需的工具时，他们的专有硬件帮助他们对包裹在软凝胶中的细胞进行生物打印，这些凝胶的作用类似于血管网络。

米勒（Miller）大力支持开源科学，他表示，已发表的《科学》研究中的所有实验数据都是免费的。此外，构建立体平版印刷设备所需的所有3D可打印文件均可用，用于打印研究中使用的每种水凝胶的设计文件也均可用。

此外，米勒的定制立体光刻机遵循RepRap理念。他甚至解释说，定制技术是必要的，因为没有其他机器可以支持这项工作。强调创新如何使他开发了一系列不同的技术，所有这些技术都试图解决同一问题：如何制造血管结构。

复制肺部的主要功能之一是Miller的一项突破性成就，Miller 在赖斯大学的生理系统工程和高级材料实验室（被称为“米勒实验室”）从事大部分研究。实际上，该团队能够创建具有多个独立血管结构的气囊的人工版本。他说的话“非常类似于肺部的工作方式，在这种情况下，气道非常靠近血液，却没有接触。” 实际上，如果血液从血管泄漏到气管或气道泄漏到主肺，则会导致肺出血，这可能是致命的。

“当我们创建气囊的人工版本时，我们能够证明泵入气囊的氧气可以为流过血管的人体红细胞提供氧气。更重要的是，我们能够定量地进行测量。”米勒说。就像医生使用血气分析仪为患者测量血液样本中的氧气一样，我们使用同一台机器来测量血液氧合效率，只是我们的患者是3D打印的凝胶。这真正证明了氧气从气囊中逸出，扩散到我们进行3D打印的等效于组织的材料层中，然后进入血管结构，较终被红细胞和其中的血红蛋白。”

气囊充气时RBC灌注过程中含有远端肺亚单位的印刷水凝胶的照片（来源：Jordan Miller / Rice University）

当米勒（Miller）诗意地描述器官的结构时，他还研究了调查背后的创新过程，以及他如何在米勒实验室（Miller Lab）推动创造性想象的极限。与主要由生物工程领域的四个研究生和七个本科生组成的团队合作，意味着他们将积极进行调查，因为他们刻意研究发表其工作所需的渐进设计，方法和非常强大的数据。

“这项研究不仅涉及肺组织。我们的目标是更好地了解生物学中结构与功能之间的联系。我们正在尝试进行新的组织设计，以模仿我们在真实器官中看到的形式。问题仍然在于它们是否可以相应地发挥作用。这是一个数十年来仍未解决的问题，但我们希望在未来五到十年内回答这个问题。

除了架构设计，我们还展示了在肝组织工程方面取得进展的类似能力。为此，我们制作了一个类似血管的结构，并向其注入了毛细血管。然后，我们将肝细胞添加到组织中，并较终评估它们是否能够在患有慢性肝损伤的小鼠中存活下来。作为朝着正确方向迈出的di一步，我们能够证明组织能够存活并且两周后细胞开始发挥功能。”

赖斯大学和华盛顿大学研究人员进行的实验探索了称为肝细胞的肝细胞是否可以正常运行，如果将其掺入生物打印的植入物并通过外科手术植入小鼠中14天（来源：Jordan Miller / Rice University）

这种经历是非常有趣和复杂的。米勒建议，该地区尚有数十年的工作要做，目前仍处于起步阶段。 

“从哲学上讲，目前尚不清楚我们是否一无所知，但我们正在走向我们所知道的地方。有许多方法可以与自然和人类生物学并驾齐驱，这比组织工程术语需要协作得多。此外，我们需要创建一种与人体无缝集成，可以与人体重塑并完全集成的结构。我们希望将来植入的东西不会留下任何残留物，因为身体已经接管了它，并用来自患者细胞的天然组织代替了它。这是较好的情况：不留痕迹。”