隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療3D打印也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(shù)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(shí)際上是大腸的兩倍。它由三個(gè)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(yíng)養(yǎng)和礦物質(zhì)，所以它是一個(gè)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(shí)條件的小腸的現(xiàn)實(shí)模型中研究腸道生物學(xué)。但康奈爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)正在改變這一點(diǎn)，并采用3D打印技術(shù)來做到這一點(diǎn)。

為此，康奈爾大學(xué)研究人員與馬里蘭大學(xué)約翰霍普金斯大學(xué)和新加坡國(guó)立大學(xué)進(jìn)行了研究。他們?cè)谖⒂^尺度上打印了人造小腸系統(tǒng)，其實(shí)際上模擬了腸表面的形貌和上皮細(xì)胞需要生長(zhǎng)，功能和繁殖所需的流體流動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)指出，這是第一個(gè)精確重新創(chuàng)建蠕動(dòng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被吸收的地方，因此作為人類或多細(xì)胞動(dòng)物來講，我們的腸道是我們與外部世界互動(dòng)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?cè)搅私馕覀兊哪c道如何工作，我們?cè)侥荛_發(fā)醫(yī)療解決方案并獲得人類生物學(xué)進(jìn)化的見解?！?/span>

作為由國(guó)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(xì)胞生理學(xué)的微尺度生物反應(yīng)器”的科學(xué)報(bào)告。

March是本文的資深作者，他的實(shí)驗(yàn)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(shí)體內(nèi)系統(tǒng)的體外人造小腸的發(fā)展將大大提高我們對(duì)人類腸道的理解及其對(duì)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(xì)胞類型、流體流動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氣體交換。它們也是‘開放’的系統(tǒng)，可以獲得化學(xué)和生理信息。在這項(xiàng)工作中，我們展示腸表面形態(tài)和流體動(dòng)力學(xué)的重要性，顯示它們影響上皮細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和腸細(xì)胞功能。我們已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)使用3D打印和聚合支架構(gòu)建了小腸生物反應(yīng)器，其模擬腸道的3D形貌及其流體流動(dòng)。我們的研究結(jié)果表明，靜態(tài)2D Transwell設(shè)備中TEER測(cè)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(xì)胞增殖和發(fā)現(xiàn)的細(xì)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(xì)胞。類似地，葡萄糖被積極地運(yùn)輸（而不是被動(dòng)的），并且以較高的速率流動(dòng)。”

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(zhǎng)的上皮細(xì)胞能夠獲得與平坦表面上生長(zhǎng)的細(xì)胞不同的營(yíng)養(yǎng)梯度，如氧氣。該團(tuán)隊(duì)利用其3D打印生物反應(yīng)器系統(tǒng)深入了解小腸內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)。即使一個(gè)人正在禁食，腸內(nèi)間歇性流動(dòng)使其細(xì)胞暴露于剪切應(yīng)力，所以重要的是能夠重新創(chuàng)建這個(gè)動(dòng)作。

AutoCAD Inventor用于設(shè)計(jì)生物反應(yīng)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(dòng)流，細(xì)胞可以通過在活腸中實(shí)際生長(zhǎng)。如果流體在器官內(nèi)正確流動(dòng)，細(xì)胞將在絨毛尖端附近選擇性地死亡。然而，如果這個(gè)流程不在那里，細(xì)胞會(huì)自毀。

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