隨著3D打印技術的發(fā)展，醫(yī)療3D打印也取得了長足的進步，如3D打印的胃模型，以及舌頭和肝臟，甚至3D打印的胰腺。眾所周知，該技術沒有經(jīng)常用于研究消化系統(tǒng)最重要的部分之一，許多人知道的小腸實際上是大腸的兩倍。它由三個不同的區(qū)域組成，位于胃腸道和大腸之間。稱為絨毛的小突起可以從我們吃的食物中吸收營養(yǎng)和礦物質，所以它是一個非常重要的器官。直到現(xiàn)在，研究人員一直無法在重現(xiàn)現(xiàn)實條件的小腸的現(xiàn)實模型中研究腸道生物學。但康奈爾大學的研究團隊正在改變這一點，并采用3D打印技術來做到這一點。

為此，康奈爾大學研究人員與馬里蘭大學約翰霍普金斯大學和新加坡國立大學進行了研究。他們在微觀尺度上打印了人造小腸系統(tǒng)，其實際上模擬了腸表面的形貌和上皮細胞需要生長，功能和繁殖所需的流體流動。該團隊指出，這是第一個精確重新創(chuàng)建蠕動流體流的小腸模型。

“腸道是我們大多數(shù)免疫系統(tǒng)的所在地，也是我們所有營養(yǎng)物質被吸收的地方，因此作為人類或多細胞動物來講，我們的腸道是我們與外部世界互動的核心?！笨的螤柹锱c環(huán)境工程系教授兼主席John C. March解釋說，“我們越了解我們的腸道如何工作，我們越能開發(fā)醫(yī)療解決方案并獲得人類生物學進化的見解?！?/span>

作為由國立衛(wèi)生研究院（NIH）資助的研究的一部分，研究人員在本月初發(fā)表了一篇題為“用于原位表征GI上皮細胞生理學的微尺度生物反應器”的科學報告。

March是本文的資深作者，他的實驗室研究員Cait M. Costello是第一作者，其他合著者包括Mikkel B. Phillipsen、Leonard M. Hartmanis、Marek A. Kwasnica、Victor Chen、David Hackam、Matthew W. Chang和William E. Bentley。

摘要如下：“模擬現(xiàn)實體內系統(tǒng)的體外人造小腸的發(fā)展將大大提高我們對人類腸道的理解及其對人類健康的影響。合成體外模型可以控制特定參數(shù)，包括（但不限于）細胞類型、流體流動、營養(yǎng)物質和氣體交換。它們也是‘開放’的系統(tǒng)，可以獲得化學和生理信息。在這項工作中，我們展示腸表面形態(tài)和流體動力學的重要性，顯示它們影響上皮細胞生長、增殖和腸細胞功能。我們已經(jīng)構建了一個使用3D打印和聚合支架構建了小腸生物反應器，其模擬腸道的3D形貌及其流體流動。我們的研究結果表明，靜態(tài)2D Transwell設備中TEER測量值通常較高，與平板式支架和靜態(tài)條件相比，在存在液體剪切和3D形貌的情況下較低。還有增加的細胞增殖和發(fā)現(xiàn)的細胞凋亡升高的局部區(qū)域，特別是絨毛的頂端，其中最高的細胞。類似地，葡萄糖被積極地運輸（而不是被動的），并且以較高的速率流動?！?/span>

在本文中，研究人員解釋說，在支架上的3D絨毛環(huán)境中生長的上皮細胞能夠獲得與平坦表面上生長的細胞不同的營養(yǎng)梯度，如氧氣。該團隊利用其3D打印生物反應器系統(tǒng)深入了解小腸內流體動力學。即使一個人正在禁食，腸內間歇性流動使其細胞暴露于剪切應力，所以重要的是能夠重新創(chuàng)建這個動作。

AutoCAD Inventor用于設計生物反應器，然后將3D打印在Stratasys Objet30 Pro上。研究表明，通過在3D打印模型中重新創(chuàng)建蠕動流，細胞可以通過在活腸中實際生長。如果流體在器官內正確流動，細胞將在絨毛尖端附近選擇性地死亡。然而，如果這個流程不在那里，細胞會自毀。

研究人員還能夠研究小腸細菌群體的動力學，這得益于其3D打印生物反應器中精確的流體流動。