新研究：3D打印“芯片动脉”或助揭示中风之谜

来源：环球网

11月20日，心血管疾病目前已成为全球头号健康威胁，虽然医学界已有成熟的心血管疾病诊断方法，但仍缺乏能够预测颈动脉早期血栓形成事件的技术。近日，悉尼大学的研究人员发明了一种新型3D打印技术，仅用两小时即可生成解剖结构精准的血管模型，这项技术已帮助研究人员研究导致中风的血栓，并有望用于新药物测试，研发针对特定患者健康状况的个性化药物，以减少对动物实验的依赖。

赵耘铎正在检查“芯片动脉”。

该项技术成果已发表在《先进材料》（Advanced Materials）上，研究人员使用中风患者的CT扫描作为蓝图制作微型模型，将原本颈动脉的3D模型缩小至200至300微米，而全尺寸颈动脉为5至7毫米。该模型可再现健康与病变血管区域的解剖精确复制体，包括血管精细结构，以及血管内膜受损处的凹凸，这是中风患者常见的病理特征。

研究人员还将模型的制造时间从10小时缩短至两小时，他们开发了一种以玻璃载片为基础的新方法，弥补了传统3D打印模具使用树脂，耗时长且误差率高的缺陷。从远处看，这些血管像是玻璃上的精美雕刻。

“我们打印的不仅是血管，更是为全球数百万面临中风风险的人打印希望。通过持续的支持与合作，我们希望让个性化血管医疗惠及每一位需要的患者。”悉尼大学查尔斯·珀金斯中心与悉尼纳米研究所博士生赵耘铎（Charles Zhao）表示。这位本科背景为机械工程，但出于对“造福人类”的追求而攻读生物医学工程的博士生，其在流体力学方面的知识，对研究血液在血管中的流动规律起到了至关重要的作用。他认为在心脏病和中风的诊断中，速度与准确性至关重要。临床医生在症状出现后的12小时内，必须完成关键的诊断与决策。

这项“芯片上的动脉”（artery-on-a-chip）成功模拟了血管的物理外观，血流模拟产生的流体动力学和自然血流运动高度相似。是此项研究的关键突破。研究人员表示，该领域最大的挑战是重现血管内血液流动的流体动力学。因为心脏病高风险人群的血液血液更粘稠，会影响血液在血管内的流动。

在测试过程中，研究人员能在显微镜下实时观察到血栓形成过程及血小板的行为——血小板是血液凝固的重要组成部分，其异常活动可能导致中风。研究显示，血液流动与血管内壁之间产生的摩擦力和冲击力，对调节凝血的血小板运动起着至关重要的作用，这一现象常见于高血压和动脉粥样硬化患者体内，在血管承受较高应力的区域，血小板的运动量增加了7至10倍。

王子豪博士（Dr Zihao Wang）手持组装好的3D打印血管装置。

“关于血管内部的许多机制我们仍未完全理解，例如导致血栓形成的一系列反应。目前也没有可根据患者个体差异定制的检测平台。没有两位患者在生物学上是完全相同的，每个人的血管结构与血液特性都不同，这些差异会影响其患病风险与治疗方式。”论文主要作者之一、悉尼大学生物医学工程学院的王子豪（Dr Zihao Wang）博士表示，他同时强调，这是澳大利亚首个此类生物工程项目，其研究目标是在不依赖动物实验的前提下，解决心脏病诊断和预防中的两个关键难题。

论文资深作者、悉尼大学的居理宁（Arnold Ju）教授表示，他们的工作是悉尼大学生物医学工程学院、查尔斯·珀金斯中心和心脏研究所跨团队协作的结晶，目前已成功打造出患者血管的“物理孪生体”，即行为与真实血管一致的精确微缩复制体。“我们非常感谢Snow Medical研究基金会，及Snow家族通过Snow研究员奖学金（Snow Fellowship）和澳大利亚国家心脏基金会未来领袖研究员奖学金（National Heart Foundation Future Leader Fellowship）提供的支持，这对推进这一变革性研究至关重要。

居教授褒奖了实验室团队在开发这项技术过程中展现了非凡的创新能力，并强调与皇家阿尔弗雷德王子医院（Royal Prince Alfred Hospital）和威尔士亲王医院（Prince of Wales Hospital）的临床合作伙伴紧密合作，确保了研究直接回应真实患者的需求，充分展示了工程创新如何改变医疗服务，尤其与未来悉尼生物医学加速器（SBA）的目标高度契合。

“我们的下一步目标是将人工智能与生物制造平台结合，打造真正的‘数字孪生体’，以预测中风事件的发生，从被动治疗走向主动预防。“MBL Ju实验室博士后数字科学家兼运营经理赵海媚（Helen Zhao）表示。”想象一下这样的未来：我们可以根据患者的CT扫描，快速打印其血管模型，测试其血液反应，再利用AI预测其未来数年的中风风险。”