微型器官芯片可能使我们能够以极高的精确度进行科学研究，而无需依赖动物实验。然而，主要问题在于人工组织需要血管，而这些血管非常难以创建。现在，已经开发出一种新技术，通过高精度激光脉冲创造可重复的血管。已经创建出能够像自然组织那样工作的组织。
我们如何调查新药物的效果？我们如何更好地理解不同器官之间的相互作用，以把握系统反应？在生物医学研究中，所谓的器官芯片，也被称为微生理系统，正变得越来越重要：通过在精确控制的微流体芯片中培养组织结构，可以比涉及活人或动物的实验更精确地进行研究。
然而，仍然存在一个重大障碍：这些微型器官在没有血管的情况下是 incomplete 的。为了促进系统性研究并确保与活生物之间的有意义比较，必须以可精确控制和可重复的方式创建一个可灌注的血管和毛细血管网络。这正是维也纳科技大学（TU Wien）团队现在所实现的：该团队采用超短激光脉冲建立了一种快速且可重复地创建微小血管的方法。实验表明，这些血管的行为与活体组织中的血管相似。肝小叶已在芯片上成功创建。
人工微通道中的真实细胞
“如果您想研究某些药物如何在不同的人体组织中运输、代谢和吸收，您需要最精细的血管网络，”维也纳科技大学（TU Wien）Ovsianikov教授创建的3D打印与生物制造研究小组的成员Alice Salvadori说。
理想情况下，这些血管必须直接在称为水凝胶的特殊材料中创建。水凝胶为活细胞提供结构支持，同时像自然组织一样具有透过性。通过在这些水凝胶中创建微小通道，可以引导血管样结构的形成：内皮细胞——即衬在人体真实血管内侧的细胞——可以定居在这些通道网络中。这就创建了一个与自然血管的结构和功能高度相似的模型。
目前的主要挑战是几何形状：这些微血管网络的形状和大小难以控制。在基于自组织的方式中，血管的几何形状在不同样本之间变化显著。这使得无法进行可重复、精确控制的实验，而这正是可靠生物医学研究所需的。
改进的水凝胶和激光精度
因此，维也纳科技大学的团队依赖于先进的激光技术：在飞秒范围内，利用超短激光脉冲，可以高精度地直接写入水凝胶中的3D结构——快速且高效。
“我们可以创建相隔仅一百微米的通道。对于希望复制特定器官中血管的自然密度，这一点至关重要，”Ovsianikov说。
但这不仅仅关乎精度：人工血管必须快速形成，并且在被活细胞填充后保持结构稳定。“我们知道细胞会主动重塑其环境。这可能导致血管的变形甚至坍塌，”Alice Salvadori解释说。“因此，我们还改善了材料的制备过程。”
团队采用了两步热固化工艺，而不是使用标准的单一步骤凝胶化方法：水凝胶在两个阶段加热，使用不同的温度，而不是仅使用一个。这改变了其网络结构，从而产生更稳定的材料。在这种材料中形成的血管保持开放，并随时间保持其形状。
“我们不仅展示了可以生产实际上可以灌注的人工血管，更重要的是：我们开发了一种可扩展的技术，可以在工业规模上应用，”Ovsianikov说。“仅需10分钟即可模式化30个通道，这至少比其他技术快60倍。”
模拟炎症：芯片上的自然反应
如果要在芯片上真实模拟生物过程，人工组织必须表现得像其自然 counterpart。现在，这一点也得到了验证：
“我们展示了这些人工血管被内皮细胞定植，这些细胞在体内反应就像真实的那样，”Alice Salvadori说。“例如，它们以相同的方式对炎症做出反应——变得更加通透，正如真实的血管一样。”
这标志着将实验室芯片技术建立为许多医学研究领域的工业标准的重要一步。
肝组织的重大成功
“使用这种方法，我们能够为肝模型提供血管网络。我们与慶應義塾大学（日本）合作，开发了一个肝小叶芯片，包含一个可控的3D血管网络，紧密模拟中心静脉和窦道的体内排列，”Ovsianikov说。
“复制肝脏密集而复杂的微血管一直是器官芯片研究中的挑战。通过建立跨越整个组织体积的多个微血管层，我们能够确保足够的营养和氧气供应——这反过来又提高了肝模型的代谢活性。我们相信，这些进展使我们更接近于将器官芯片技术整合到临床前药物发现中，”慶應義塾大学的Masafumi Watanabe说。
“OoC技术与先进的激光技术相辅相成，创造出更可靠的血管和肝组织模型。一个重要的突破是能够在芯片上构建微小组织，使液体能够在其中流动，类似于血液在体内的流动。这有助于研究人员更好地理解血流如何影响细胞。OoC技术还使得在显微镜下仔细观察细胞的反应成为可能。这些模型将帮助科学家研究身体的运作方式，并可能导致未来更好的治疗和医疗，”慶應義塾大学的Ryo Sudo教授说道。
