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      血管組織支架芯片AngioChip,解決人造器官的大難題

      時間:2016-06-16 17:10:25 文章作者: 點擊:

      無論是在藥物研發的臨床前研究中代替實驗動物,還是用于器官移植,人造器官和組織都有非常誘人的應用前景。不過,體外構建的人造器官和組織要在體內外存活并發揮生物學功能,除了考慮機體免疫排斥以外,另一個問題也不容忽視——人造器官從其表面到深部的氧氣和營養供應呈現逐漸降低的趨勢,以致其中心的細胞和組織可能出現壞死。因此,實質器官如肝臟、心臟等要實現體外制備和體內移植存活,能否構建有效的血管網系統成為其主要限制因素之一,也是阻礙其臨床應用的瓶頸。

      目前,通常利用生物3D打印的方式在支架的內部預留或精確定位直接打印出具有良好的孔隙率及高度仿真微血管網結構,這在一定程度上實現了高精確度的微觀結構并快速地實現血管化目標。但是受限于基質材料性質、生物相容性及力學性能,生物3D打印也無法很好滿足現實的需求。3D壓模(印花)技術(3D stamping)則可以通過預先制備圖案化單層,并通過精密設計和層層精確組裝形成三維的血管化網絡結構,為組織工程領域提供了一種新的組織支架和血管化網絡構建思路。

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      據最近《Nature Materials》雜志報道,加拿大多倫多大學的Milica Radisic團隊就借助3D stamping技術開發了人體組織生長必須的內置血管網絡支架芯片,并將其命名為AngioChip。它采用了一種生物可降解、有彈性、紫外光可聚合及快速成型的POMaC [poly(octamethylene maleate (anhydride) citrate)]聚合物材料。通過計算機軟件新穎設計,并像印章一樣制備出圖案化的POMaC生物降解層,和1D管子、2D分支導管和3D枝狀網絡類血管結構。將圖案化的POMaC層逐層精準排列且嵌入微血管結構,通過紫外光照射就可以聚合在一起,形成復雜的微結構和內部孔隙。在其內部灌注細胞外基質,并種植人體活性細胞,制備出三維血管化組織支架芯片。(Biodegradable scaffold with built-in vasculature for organ-on-a-chip engineering and direct surgical anastomosis. Nature Mater., 2016, 15, 669-678, DOI: 10.1038/nmat4570)

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      AngioChip內置血管的壁薄且靈活,并具有足夠的機械強度,足以支持收縮組織中的灌注脈管系統。血管壁含有微米和納米尺度的微孔有助于分子交換和細胞遷移。具有豐富內部連通的晶格狀基質支架可以很好地模擬血管床,可以在其內部生長人體器官中的各種活性細胞。研究者成功制備了功能性和血管化的肝臟和心臟組織。

      研究者還將這種血管化支架直接植入了成年鼠的后肢,用于外科吻合術中連接股骨血管中的動脈-動脈和動脈-靜脈的血液流通。研究結果顯示小鼠的血液在AngioChip內順暢流動,和在自然血管中的流動無異。這種嘗試給出了有效的組織再生途徑,可以直接快速的實現將體外實驗結果轉化為體內實驗驗證。

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      AngioChip可以極大地促進器官芯片(organ-on-a-chip)的研究。器官芯片是基于微加工技術制備出的模擬人體特定器官的復雜微結構、微環境和生理功能的微流控芯片仿生系統,也叫微生理系統(microphysiological system)或芯片人體(human-on-a-chip)。因其有望減少或最終取代動物模型而備受醫藥巨頭的青睞。自2011年美國總統奧巴馬宣布啟動由NIH、FDA和國防部聯合設立的人體芯片專項研究以來,對這種新一代藥物評價平臺技術的研究熱潮在世界范圍內迅速展開。通過AngioChip構建出的肝臟和心臟芯片,同時也可以通過這種嵌入的人工血管通路進行連接,模擬仿生循環系統并評估其相互之間的作用。

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