加州大学旧福尼亚分校（UCSF）和Biohub的科学家们开发出一种源自海藻的材料，有助于实验室培养的微型器官更稳定地形成。研究人员表示，这一进展有望推动疾病研究，并使医学向制造可替代的人体组织更进一步。该研究成果于3月10日发表在《自然·材料》期刊上，旨在解决类器官科学领域一个长期存在的挑战：实验结果难以稳定复现，从而影响其科学实用性。
培养微型器官的难题
实验室培养的微型器官被称为“类器官”，它们能够自我组织成复杂的结构，这使其成为疾病研究的潜在有力工具。然而，不同实验之间的结果不一致，使得科学家们难以重复验证。挑战归根结底在于物理特性。“液态基质胶太稀，无法进行打印；而一旦固化，它产生的反作用力又太强，”论文第一作者、Gartner实验室和Biohub的博士后研究员Austin Graham博士解释道。“我们想要一种材料，既能让我们将细胞精确放置在目标位置，又能允许它们生长和自我组织。”另一个考量是模仿胚胎组织在发育过程中如何与周围环境进行机械互动——它们持续施加并响应物理力。材料太硬会阻碍生长；太软则会导致结构无序形成。
这些是含有消化酶LYZ的生物打印肠道类器官。图片来源：加州大学旧金山分校
解决方案：一种海藻成分
通过将海藻酸盐微粒混合到通常用于培养类器官的基质胶中，研究团队创造出一种旨在更紧密地模拟发育组织周围天然环境的材料。最终得到的物质特性类似于湿沙：足够坚固以保持打印细胞的初始位置，但又能在类器官扩张和折叠时逐渐让步。这使得干细胞可以在成熟前被3D打印成特定形状，从而使形成的类器官更具一致性。研究人员指出，关键因素并非单一的硬度或柔软度。“结果证明，最重要的是材料如何随时间‘松弛’，我们称之为应力松弛，”UCSF药物化学教授、Biohub研究员、论文共同资深作者Zev Gartner博士说。“它需要让步的速度与组织重塑自身的速度保持一致。”
这些是生物打印的肠道类器官管，带有干细胞标记物LGR5的染色。图片来源：加州大学旧金山分校
投入测试
Gartner与Biohub工程师Michelle Khoo和Rafael Gómez-Sjöberg博士（论文共同资深作者）合作，后者专门为这种新材料定制了一台3D生物打印机。团队在多种组织类型上测试了该方法，包括小鼠肠道和唾液腺细胞、人类血管细胞以及源自干细胞的人类脑细胞。打印出的细胞团成功成熟为类器官，并经常萌发出发育芽。以线性排列打印的肠道细胞发育成了类似肠道解剖结构的、可携带液体的管状组织，不过其长期性能和可扩展性仍有待进一步研究。除了实验室应用，研究人员认为该方法未来可能支持替代组织的制造，例如用于心脏病发作后的心脏损伤修复。当然，这些潜在应用目前仍处于早期阶段。
患者活检来源的肝脏类器官可作为生物制造个性化、患者特异性全肝的构建模块。图片来源：UTSW
该方法的核心理念是与自然生物过程协同工作，而非强行控制。“我们不是像搭乐高积木那样构建组织，”Gartner说。“我们将细胞放置在需要的位置，然后让它们的发育程序自行组装组织。目标是达到器官开始自我构建的阶段。”
打印可移植器官的竞赛
类器官为疾病研究和再生医学提供了潜力，但生长的不一致性限制了其可靠性。这种不可预测性阻碍了实验的重复验证，也减缓了生产功能性替代器官的进程，因为复制血管和胆管等复杂组织结构对当前的3D打印和组织工程技术构成了挑战。
UCSF的这项研究问世之际，生物打印领域正呈现出更广泛的融合趋势。2026年2月，美国高级卫生研究计划署（ARPA-H）宣布了其“个性化再生免疫活性纳米技术组织”（PRINT）计划的首批资助对象，选定了来自卡内基梅隆大学、维克森林大学、威斯研究所、加州大学圣地亚哥分校和德克萨斯大学西南医学中心的研究团队，以开发先进的生物打印器官。该计划旨在数小时内生产出功能完全的器官，以应对每年数千名患者在等待移植中死亡的紧迫短缺问题。
同样，乌得勒支大学的研究人员开发了GRACE系统，这是一个利用实时成像扫描凝胶、并根据细胞实际位置设计结构的3D生物打印系统，能够制造出具有优化血管网络和多层架构的功能性组织，这些是构建更大、患者特异性器官结构的关键特征。
中国3D打印网编译文章！
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