匹兹堡大学的研究人员利用一种名为CHIPS的3D打印胶原支架，开创了一种组织工程平台。

通过模仿自然细胞环境，它们使细胞能够生长、相互作用并形成功能性组织——这是超越传统硅基微流控模型的一大步。该平台不仅可以模拟糖尿病等疾病，未来还有望取代动物实验。此外，其设计可免费获取，以促进更广泛的科学创新。

制造行为表现与活体器官相似的有机组织模型听起来像科幻小说中的情节，但匹兹堡大学的工程师们正将其变为现实。

他们取得突破的核心是一个强大的概念：只要环境适宜，细胞就自然知道如何组织和发挥功能。关键是设计模仿人体自然结构的支架，为细胞提供生长、相互作用并形成组织所需的提示。

丹尼尔·希瓦斯基是斯旺森工程学院生物工程助理教授兼医学院血管医学研究所教员，他开发了一种名为“CHIPS”（基于胶原蛋白的高分辨率内部可灌注结构）的新型支架。这些CHIPS与血管和灌注类器官芯片反应器相结合，形成了一个完整的组织工程平台，该平台能够紧密模拟真实的细胞环境。

希瓦斯基（Shiwarski）的团队与卡内基梅隆大学生物医学工程教授亚当·范伯格（Adam Feinberg）合作，在4月的《科学进展》（Science Advances）上发表了他们的研究成果，题为《基于胶原蛋白的3D生物打印可灌注高分辨率支架用于全生物组织系统的工程化》（3D Bioprinting of collagen-based high resolution internally perfusable scaffolds for engineering fully biologic tissue systems），该研究被用作封面故事。

利用天然材料彻底改变疾病建模

施瓦斯基（Shiwarski）的研究利用增材制造和组织工程来创造功能性替代组织，并模拟糖尿病和高血压等疾病模型。微流控建模是研究这些体外疾病的常用方法，它使用微小芯片中的微小通道来模拟血管或细胞行为。这些模型通常是由硅树脂制成的，虽然很有用，但其合成特性限制了科学家充分发挥这些模型的作用——直到现在。

“微流控装置有助于我们研究细胞行为，但它们本身存在局限性，”史瓦斯基说道。“我们的胶原蛋白支架改变了这一点。由于细胞在胶原蛋白环境中自然茁壮成长，因此我们可以打印出结构网络，还可以直接将细胞嵌入该环境中，使其生长、相互作用并形成组织。”

真实组织形成：细胞在胶原蛋白网络中茁壮成长

与传统合成的微流控装置不同，这些打印的支架完全由胶原蛋白制成，使细胞能够通过生长和自组织成其中的功能性组织而与模型本身发生相互作用。研究团队通过将胶原蛋白与血管细胞和胰腺细胞相结合证明了这一点，从而促使胰岛素分泌以响应葡萄糖，模拟了自然的生理功能。

为了支持细胞化胶原支架的生长和发育，该团队设计了一个定制灌注式生物反应器系统VAPOR。

“该平台独一无二，因为它可以通过将CHIPS像乐高积木一样拼接到位，安全地将基于软胶原蛋白的组织支架与VAPOR流体系统连接起来，”FluidForm Bio公司的联合创始人兼论文合著者安德鲁·哈德森（Andrew Hudson）表示。

利用3D血管网络开辟新天地

此外，虽然传统微流控装置的设计仅限于平面或顺序分层模式，但该团队还证明了通过打印以DNA结构为模型的螺旋血管网络，在柔软的有机材料中创建非平面三维网络的能力。

“我们正在把在微流体中行之有效的手段——比如控制流体流动和建立血管网络——与天然生物材料和细胞的固有程序结合起来，”史瓦斯基说，“如果我们把细胞放在一个模拟其自然环境的环境中，它们就会清楚地知道该怎么做。我们正在为它们重建一个合适的环境，让细胞发挥其作用，允许它们适应、进化，并随着时间的推移构建功能性组织。”

未来前沿：无需动物实验即可对疾病进行建模

Shiwarski 还致力于通过其团队的工作推动开放科学，该项目中的所有模型和设计均可免费在其实验室网站上获取。展望未来，Shiwarski 的团队旨在利用这一平台研究血管疾病（如高血压和纤维化），模拟这些疾病如何影响组织发育和功能。最终目标是，用更准确、以人体为基础的系统取代动物模型。

“这种新方法让我们能够弥合简化的二维模型和动物研究之间的差距，”施瓦斯基说。“既然我们已经建立了这种功能性组织环境，那么我们接下来的一个重要目标就是研究血管网络是如何随着底层组织的发育而形成的，以及这些过程是如何受到人类特有疾病变异的影响的。我们可以利用这种方法来研究复杂疾病，并理解其背后的基础生物学原理，然后我们就可以更深入地了解临床治疗。”

参考文献：2025年4月23日，Daniel J. Shiwarski、Andrew R. Hudson、Joshua W. Tashman、Ezgi Bakirci、Samuel Moss、Brian D. Coffin和Adam W. Feinberg在《科学进展》上发表的“基于胶原蛋白的高分辨率内部可灌注支架的3D生物打印，用于构建完全生物组织系统”。DOI：10.1126/sciadv.adu5905