快速模型引导的器官尺度合成血管设计用于生物制造
摘要：通过制造血管和灌注的需求，我们制造人类规模的生物制造器官的能力受到严重限制。对于大小和形状可变的组织，包括任意复杂的几何形状，设计和打印能够进行充分灌注的血管系统一直是一个重大难题。在这里，我们引入了一种模型驱动的设计流程，结合了快速合成血管树生成和计算流体力学模型的优化方法。我们展示了在复杂几何形状中合成血管系统的快速生成、模拟和三维打印，从小型组织构造到器官规模网络。我们引入了关键算法的进展，通过局部隐式函数使合成血管的生成速度比标准方法快230倍以上，并使其能够用于任意复杂的形状。此外，我们提供了将血管树连接成合适进行流体力学CFD和三维制造的渗透网的技术。我们证明，在几分钟内可以在模拟中生成器官规模的血管网络模型，并可用于灌注工程和解剖模型，包括生物反应器、环状结构、双心室心脏和脑回。我们进一步展示，这个灵活的流程可以应用于两种常见的生物打印模式，包括自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶和写入软物质。我们的合成血管树生成流程实现了快速、可扩展的血管模型生成和流体分析，为未来规模化生产和生产的生物制造组织提供了必要的手段。
作者：Zachary A. Sexton, Andrew R. Hudson, Jessica E. Herrmann, Dan J. Shiwarski, Jonathan Pham, Jason M. Szafron, Sean M. Wu, Mark Skylar-Scott, Adam W. Feinberg, Alison Marsden
论文ID：2308.07586
分类：Tissues and Organs
分类简称：q-bio.TO
提交时间：2023-08-16