器官尺度合成血管网络的快速模型引导设计与生物制造应用

时间:2025年6月13日
来源:SCIENCE

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来自国际团队的研究人员针对生物制造中器官尺度组织血管化难题,开发了模型驱动设计平台,通过多保真度计算流体力学(CFD)模拟和3D生物打印技术,实现血管网络生成速度提升230倍,成功在200余种工程/解剖模型中验证灌注效果,显著提升活体组织细胞存活率,为规模化人造器官生产突破血管化瓶颈。

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突破性研究构建了革命性的血管设计平台,将器官尺度合成血管网络的生成速度提升230倍。该模型整合血流动力学参数(包括分支点压力分布和层级树状结构中的流体模式),通过多保真度计算流体力学(Multifidelity CFD)模拟,实现任意复杂几何形状的血管网络优化设计。

研究团队利用该平台成功生成超过200种工程化及解剖学模型的血管网络,并通过三维生物打印(3D bioprinting)技术制造功能性血管网络。在生物反应器中的灌注实验证实,这种合成血管系统显著提升三维组织构建物的细胞存活率。

该突破性技术解决了生物制造领域的关键瓶颈——如何为宏观尺度人造器官建立高效灌注系统。模型驱动的设计方法不仅实现血管网络的快速生成,更通过精确模拟血流动力学特性(包括剪切应力和氧输送效率),为未来规模化生产可移植人造器官奠定技术基础。特别值得注意的是,该平台能自适应不同器官的特殊解剖结构,从微观毛细血管到宏观血管树均可实现拓扑优化。

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