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当飞行员和宇航员进入飞行时，他们的身体被推入比地面经历的任何极端环境都更为极端。为了更好地理解人类在这些极端条件下的反应，德克萨斯农工大学的研究人员在美国空军科学研究办公室的支持下，正转向利用活肺细胞进行3D生物打印技术。他们的目标有两个：提升航空和航天飞行的安全性，以及加快呼吸系统疾病的研究与治疗。
在航空环境中，可能出现高温升高、压迫性压力和氧气水平下降，这些都会对身体造成有害影响。例如，高度或气压的快速变化可能导致肺部液体积聚，而高温则可能引发中风、组织损伤甚至器官衰竭。传统的二维细胞培养在展示如此复杂环境中的实际情况方面表现不足。然而，三维细胞模型提供了更逼真地展现人体细胞在压力下的表现，为更精确的测试打开了大门。
飞行员在飞行中可能会面临极其严峻的身体条件。（照片来源：（空军高级军士长托马斯·梅内金）
为了准确模拟肺细胞对恶劣环境的反应，德州农工大学团队需要高度控制的生物印刷参数，以确保细胞保持存活能力。“即使是生物印刷工艺中的微小调整，也能显著影响细胞的存活率和增殖。” 文理学院教授秦鸿民博士解释道。“通过微调这些参数，我们正在为组织工程未来的突破奠定基础。”
研究人员通过一系列针对性的实验模拟极端环境。在一项发表于《仿生学》杂志的研究中，团队在印刷过程中调整了挤压压力。他们发现，更高的压力会导致细胞死亡增加。另一项发表在《生物工程》杂志的研究中，他们将3D打印样品暴露在不同温度下，温度高达55摄氏度。他们观察到较高的温度会增加氧化应激并降低细胞存活率。“压力和温度的研究结果凸显了精确技术的必要性，以保护3D生物打印样本中肺细胞的存活能力，并展示细胞如何应对环境压力。”秦说道。
团队还开发了一种优化的生物墨水配方：胶原蛋白与海藻酸盐的4：1混合配方，在六天内保持了令人印象深刻的85%细胞存活率，为未来研究奠定了有前景的基础。
除了解决国防优先事项外，该项目还为医学研究创造了广泛的机会。通过制作逼真的3D打印肺细胞培养物，团队创建了一个研究慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病的平台，并加快药物筛查工作。展望未来，团队预计采用同样的方法按需生产生物工程组织。
实验设计概述，展示挤压压力的影响。（图片来源：Taieba Tuba Rahman 等）
这项工作与其他领域的进展相呼应。今年早些时候，安大略省麦克马斯特大学的研究人员开发了一种生物墨水，能够再现肺组织的弹性和拉伸性，使其非常适合模拟慢性阻塞性肺病（COPD）、肺纤维化等疾病，以及毒性和药物反应测试。同年，美国国土安全部科学与技术司与维克森林再生医学研究所合作，利用3D打印肺组织分析有毒烟雾对人体健康的影响。这些项目共同强调了仿生三维模型正成为诊断、毒理学和治疗开发的实用平台。想了解更多信息，请阅读德州农工大学的相关文章。
封面图片来源：存款照片
