用镓成型复杂组织
说到人体，形态和功能是一起工作的。手的形状和结构使我们能够握住和操纵东西。我们肺里的小气囊叫做肺泡，它允许空气交换，帮助我们呼进呼出。树形血管遍布全身，将氧气从头部输送到脚趾。这些自然结构的组织是我们健康和运作方式的关键。更好地理解和复制它们的设计可以帮助我们揭开更有效的药物测试、新疗法和器官替代开发的生物学洞见。然而，跨多个尺度组织的生物工程组织结构，从小细胞的排列一直到大器官的结构，已经证明使用当前的制造技术具有挑战性。
现在，Christopher Chen教授（BME， MSE）和他在波士顿大学工程学院和哈佛大学Wyss澳门威尼斯人注册网站研究所的团队发明了一种解决这个复杂问题的新方法。它被称为用于疏散的工程牺牲毛细管泵，简称ESCAPE。在发表在《自然》杂志上的一项新澳门威尼斯人注册网站研究中，多学科团队展示了他们如何使用镓，一种柔软的银色金属，在室温以上熔化，作为一种成型材料，用于产生各种形状和大小的细胞结构，可用于工程组织。
资深作者Christopher Chen是波士顿大学生物设计中心主任和Wyss澳门威尼斯人注册网站研究所的核心教员，他解释了ESCAPE是如何工作的，以及他的团队的澳门威尼斯人注册网站研究将如何推动组织工程的未来发展。
什么是ESCAPE ?它是如何工作的？
在我们深入探讨ESCAPE之前，我认为有必要退一步，谈谈为什么构建组织本身如此困难。
为什么构建组织是一个挑战？
在试图设计组织时，有两个主要障碍。这些材料本身是非常脆弱的，而且没有一个通用的方法。
首先，生物材料，如细胞外基质（ECM）——一种由蛋白质和其他分子组成的复杂网络，聚集在一起形成细胞和组织——必须在高度控制的环境中维持。它们不能暴露在高温、苛刻的溶剂中，也不能挤进狭小的空间。所以，你处理它们的方式是非常有限的。
第二个挑战是找到一种既适用于小型结构又适用于大型结构的建筑工艺。
你是如何克服这些挑战的？
发明一种既能处理易碎材料又能在不同规模下建造的单一工艺是一个障碍。我们想知道：我们能否将这两个问题解耦？
首先，我们检查了建筑的几何形状，使用任何我们想要的材料。然后，我们通过成型将几何形状复制到脆弱的生物材料上。这种方法使我们能够使用柔软的材料成功地构建许多不同形状的组织。这是ESCAPE工作的核心。
ESCAPE如何复制形状？
首先，使用设计用于图案化的制造工艺和材料生成所需的形状。然后镓被用来形成这种形状的固体金属铸件。接下来，所需的生物材料在镓铸型周围聚合。最后，镓被融化并清除干净，留下一个完整的生物材料支架。然后将细胞添加到这个支架上，培养成组织结构。
你为什么决定使用镓？
镓确实是完美的材料。它在室温下是固体，所以它可以很容易地处理，并且作为铸造材料很好。但它的特别之处在于它具有生物相容性，可以在对细胞友好的低温下融化。因此，在不破坏精细模具的情况下提取镓很容易。更棒的是，镓可以切换到高表面张力状态，这意味着它可以很容易地被触发，使自己脱离束缚。这个过程被称为毛细管泵，是ESCAPE（用于疏散的工程牺牲毛细管泵）的“CAPE”。
你用ESCAPE建造了什么结构？
ESCAPE可以用于多种组织结构，但我们从血管形式开始，因为血管网络具有许多不同的长度尺度。在生物工程领域，对血管树（及其层次结构）进行工程设计是一个众所周知的挑战。
我们的血管演示包括有许多分支的树，包括死角和经历流体流动的部分。这使我们能够建立一系列健康结构和病变异常的模型。
另一种方法涉及相互交织的独立组织网络。大多数组织的特征不是一个，而是许多不同的网络，它们彼此靠近，但并不直接接触。这些网络排列着不同的细胞。为了证明这一点，我们制造了交织的血液和淋巴网络。
最后，维管网滋养组织内的其他细胞。为了捕捉到这一点，我们建造了充满心脏细胞的腔体，这些细胞对营养的需求很高，它们与血管的距离很近。
ESCAPE的下一个目标是什么？
我们设想将ESCAPE用于代表不同器官的新细胞类型和新形状。我们也想在类器官培养中使用它。然后，我们计划在本澳门威尼斯人注册网站研究中尝试的三种材料之外扩展到更多的材料。
通过这项澳门威尼斯人注册网站研究，我们有了基本的设计规则来预测ESCAPE的可靠性。模拟毛细管泵送过程将允许我们提前计算测试不同的设计。
这次采访是由波士顿大学的公关团队进行的。在BU专家媒体页面获得更多澳门威尼斯人注册网站见解。