3D打印人体心脏

人体的每一个器官，如心脏，都是由一种特殊的细胞构成的，这些细胞由一种称为细胞外基质（ECM）的生物支架连接在一起。这种ECM蛋白质网络提供了细胞执行正常功能所需的结构和生化信号。然而，到目前为止，还不可能用传统的生物制造方法重建这种复杂的ECM结构。

但在美国，超过4000名患者正在等待心脏移植，而全世界有数百万人需要心脏，但没有资格参加等待名单。更换器官的需求是巨大的，需要新的方法来设计能够修复、补充或替换长期器官功能的人工器官。

卡内基梅隆大学的一组研究人员在《科学》杂志上发表了一篇论文，详细介绍了一种新技术，可以让任何人用人体主要结构蛋白胶原蛋白对组织支架进行三维生物打印。这种第一种方法使组织工程领域更进一步，能够三维打印一个完整的成人心脏。这项技术被称为自由形式的悬浮水凝胶可逆嵌入（fresh），使研究人员能够克服与现有三维生物打印方法相关的许多挑战，并使用软质和生物材料实现前所未有的分辨率和逼真度。通过使用人体心脏的MRI数据，能够准确地复制患者特定的解剖结构，可以将心脏细胞和胶原蛋白打印成真正起作用的部分，比如心脏瓣膜或小的跳动心室。胶原蛋白是一种非常理想的三维生物材料，因为它实际上构成了你身体的每一个组织。然而，使三维打印如此困难的是，它开始时是一种流体，所以试图在空中打印，它只是在你的构建平台上形成一个水坑。因此，研究人员开发了一种防止变形的技术。开发的新鲜3D生物打印方法允许胶原蛋白在凝胶的支持浴中逐层沉积，使胶原蛋白在被从支撑浴中移除之前固化到位。支持凝胶可以很容易熔化，通过加热凝胶从室温到身体温度后完成打印。这样，研究人员可以移除支持凝胶而不破坏由胶原蛋白或细胞制成的印刷结构。

这种方法对于三维生物打印领域是非常令人兴奋的，因为它可以在人体器官的大范围内打印胶原支架。它不仅限于胶原，还可以利用新鲜技术对多种软凝胶（包括纤维蛋白、海藻酸钠和透明质酸）进行三维生物打印，提供了一个强大的、适应性强的组织工程平台。重要的是，研究人员还开发了开放源代码设计，这样几乎任何人，从医学实验室到高中科学课，都可以建造和使用低成本、高性能的三维生物打印机。

展望未来，Fresh在再生医学的许多方面都有着广泛的应用，从伤口修复到器官生物工程，但它只是不断发展的生物制造领域的一个组成部分。实际上，是技术的融合。虽然还有研究没有完成，但在工程功能性人体组织和器官方面取得了真正的进展，这一点应该令人兴奋。
 

来源：

A. Lee el al., "3D printing of collagen to rebuild components of the human heart," Science (2019).

Q. Dasgupta el al., "A FRESH SLATE for 3D bioprinting," Science (2019).

《血管与腔内血管外科杂志》