具有天然血管结构的器官芯片

然而，存在一个主要障碍：这类微型器官若无血管则是不完整的。为促进系统性研究并确保与活生物体进行有意义的比较，必须建立一个可灌注的血管和毛细血管网络——且其创建方式是精确可控且可重复的。这正是维也纳工业大学现已实现的成果：该团队开发了一种利用超短激光脉冲快速、可重复地制造微小血管的方法。实验表明，这些血管的行为与活体组织中的血管别无二致。芯片上的肝小叶已成功创建。

人工微通道中的真实细胞

"若要研究特定药物如何在人体不同组织中被运输、代谢和吸收，就需要最精细的血管网络，"维也纳工业大学亚历山大·奥夫西安尼科夫教授领导的3D打印与生物制造研究组成员爱丽丝·萨尔瓦多里表示。

理想情况下，这类血管必须直接在名为水凝胶的特殊材料内部制造。水凝胶为活细胞提供结构支撑，同时其渗透性与天然组织相似。通过在水凝胶内创建微小通道，就能引导血管样结构的形成：内皮细胞——即人体真实血管内壁的细胞——可在这些通道网络中定植。由此创建出能高度模拟天然血管结构和功能的模型。

迄今的主要挑战在于几何结构：这些微血管网络的形状和尺寸难以控制。在基于自组织的方法中，不同样本间的血管几何结构差异显著。这使得无法进行可重复、精确可控的实验——而这恰恰是可靠生物医学研究所必需的。

改进的水凝胶与激光精度

因此，维也纳工业大学团队依托先进的激光技术：借助飞秒级超短激光脉冲，可将高精度3D结构直接写入水凝胶——快速且高效。

"我们可创建间隔仅百微米的通道。当您需要复现特定器官中血管的自然密度时，这是至关重要的，"亚历山大·奥夫西安尼科夫说道。

但不仅关乎精度：人工血管必须快速成型，且在植入活细胞后仍保持结构稳定。"我们知道细胞会主动重塑其环境，这可能导致变形甚至血管塌陷，"爱丽丝·萨尔瓦多里解释道。"因此我们还优化了材料制备工艺。"

团队摒弃标准单步凝胶化法，采用双步热固化工艺：水凝胶分两阶段在不同温度下加热，而非单一温度。这改变了其网络结构，生成更稳定的材料。在此类材料内形成的血管能长期保持开放和形态稳定。

"我们不仅证明可制造出真正可灌注的人工血管。更重要的是：我们开发了可工业级扩展的技术，"亚历山大·奥夫西安尼科夫表示。"仅需10分钟即可制出30条通道，效率比其他技术至少提高60倍。"

模拟炎症：芯片上的自然反应

若要在芯片上真实模拟生物过程，人工组织的行为必须与天然组织一致。此点现也已获验证：

"我们证实这些人工血管被内皮细胞定植后，其反应与体内真实血管完全相同，"爱丽丝·萨尔瓦多里说。"例如面对炎症时反应一致——通透性增加，与真实血管如出一辙。"

这标志着芯片实验室技术在诸多医学研究领域成为工业标准的重要一步。

肝脏组织的重大成功

"运用此方法，我们成功实现了肝脏模型的血管化。与庆应大学（日本）合作，我们开发出整合可控3D血管网络的芯片肝小叶，高度模拟中央静脉和肝窦的体内排布，"亚历山大·奥夫西安尼科夫表示。

"复现肝脏致密复杂的微血管系统，长期是器官芯片研究的难点。通过构建贯穿整个组织体积的多层微血管，我们确保了充足的营养和氧气供应——进而提升肝脏模型的代谢活性。相信这些进展让我们更接近将器官芯片技术整合到临床前药物研发中，"庆应大学渡边正史表示。

"器官芯片（OoC）技术与先进激光技术协同作用，创建出更可靠的血管和肝脏组织模型。重要突破在于能在芯片上构建允许液体流通（类似体内血流）的微型组织，帮助研究者深入理解血流对细胞的影响。OoC技术还使得在显微镜下密切观察细胞反应成为可能。这些模型将助力科学家探究机体运作机制，有望推动未来治疗与医疗保健的发展，"庆应大学须藤亮教授指出。