德州农工大学利用先进的 3D 生物打印技术，成功打造更接近真实组织结构的肺细胞模型，用于研究高空飞行与太空环境中的极端压力、温度和氧气变化对人体的影响。研究显示，肺细胞在极端条件下会出现氧化应激升高与存活率下降等反应，为航空员、飞行员和航天员的安全防护提供重要科学依据。该技术也有望用于加速呼吸系统疾病研究和药物开发。
在高空飞行或太空旅行时，人体会暴露在压力、温度和氧气水平的极端变化之下——这些环境是传统细胞培养无法模拟的。德州农工大学的科学家们开发出一种 3D 生物打印方法来研究这些影响。
该项目由工程学院的裴志坚（Zhijian “ZJ” Pei）博士与文理学院的秦红敏（Hongmin Qin）博士共同领导，并由美国空军科研办公室资助，旨在提升航空与太空飞行的安全性，同时加速呼吸系统疾病的研究。
工业与系统工程教授裴志坚博士表示：“通过研究嵌入肺细胞的 3D 生物打印样本对物理压力的反应，我们正在推动关于极端环境对人体生物系统影响的基础科学原理的发展。”
利用 3D 生物打印在极端条件下创建模型。图片来自 Getty Images。
构建逼真的肺部模型
研究人员的方法结合了精确性与创新性。含有活细胞的凝胶状生物墨水被装载到打印墨盒中，随后通过逐层打印的方式生成 3D 样本，与传统的二维培养相比，这些样本更能准确反映人体细胞在压力下的行为。生物学教授秦红敏博士表示：“通过我们的 3D 方法，我们可以非常接近模拟原生组织及其微环境，使我们能够准确研究细胞的存活性、增殖以及对压力的反应。”
暴露在极端环境中会对人体健康造成严重影响。例如，飞行员和宇航员在压力或温度快速变化时，可能面临肺部积液、热引发的中暑、组织损伤或器官衰竭等风险。秦博士说：“我们的研究揭示了肺细胞如何对包括压力和温度变化在内的生理和机械压力作出反应。潜在的应用可用于提升低轨飞行条件下飞行员和航天员的安全协议。”
随着温度升高，3D 生物打印样本的压力水平上升，存活率下降。图片来自德州农工大学。
航空航天中的精确性与优化
创造逼真的 3D 生物打印组织需要在精确度与细胞存活之间取得微妙平衡。秦博士解释道：“即使是生物打印过程中的细微调整，也会显著影响细胞的活性和增殖。”
发表在《Biomimetics》和《Bioengineering》上的研究表明，在打印过程中更高的挤出压力和高达 55°C 的温度会增加氧化应激和细胞死亡，凸显了精确技术的重要性。为了获得最佳结果，团队开发出了一种 4:1 的胶原蛋白与海藻酸盐混合生物墨水，在六天内保持了令人印象深刻的 85% 的细胞活性。裴博士表示：“定义合适的生物打印参数，可以让我们在保留细胞功能的同时，重现实际环境条件。”
除了航空航天应用之外，这种 3D 生物打印方法还为研究慢性阻塞性肺疾病（COPD）等呼吸类疾病提供了更准确的模型，有助于加速药物开发。秦博士说：“我们的长期目标是在受控的实验室环境中开发工程化的肺组织，为研究提供比传统 2D 细胞培养更真实的模型。”
太空中的 3D 打印
近年来，增材制造公司、学术团队和商业组织一直在微重力环境中测试 3D 打印技术。
2023 年，Redwire 使用空间站上的生物制造设施成功生物打印了人类膝关节半月板。该打印的半月板随后搭乘 SpaceX 的 Crew-6 任务返回地球进行详细分析。打印后，半月板在国际空间站的 ADSEP（高级空间实验处理器）中培养了 14 天。NASA 宇航员 Frank Rubio、Warren Hoburg、Stephen Bowen 以及阿联酋宇航员 Sultan Al Neyadi 共同参与了实验。该里程碑预计将推动太空中半月板损伤治疗的发展，而这种损伤在美国军人中十分常见。
SpaceX 的猎鹰 9 号火箭将把美国国家实验室赞助的研究送往国际空间站。图片来自 NASA。
在其他地方，比利时的五家企业与研究机构——Space Application Services、SCK CEN、QbD Group、BIO INX 和 Antleron——联合起来 3D 打印一个人工心脏和循环系统，计划于 2025 年发往国际空间站。作为 AstroCardia 项目的一部分，研究团队希望研究心脏在轨道上的老化过程，因为在零重力条件下，器官老化速度可快达地球上的 20 倍。
