打印一顆心！人造器官再現奇跡

就在不久前，學(xué)術(shù)經(jīng)緯團隊和讀者朋友們介紹了3D打印器官的一項重磅突破：科學(xué)家們造出了包含血管和氣道、會(huì )“呼吸”的迷你人工肺。該研究登上了頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》的封面。

而在最新一期《科學(xué)》上，生物工程學(xué)家們再次突破生物材料的技術(shù)障礙，帶來(lái)一項“激動(dòng)人心”的新成果。

▲生物打印技術(shù)模擬肺組織和復制人類(lèi)心臟結構，讓復雜的“人造器官”正在變成現實(shí)

美國卡耐基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng )新的3D生物打印技術(shù)，以膠原蛋白為材料，制造出具有更高分辨率、圖案可以更復雜的人體器官組織支架?！斑@種史無(wú)前例的方法，使組織工程學(xué)領(lǐng)域向3D打印全尺寸成人心臟又邁進(jìn)了一步?！毖芯繖C構的新聞介紹。

膠原蛋白是一種十分理想的生物材料。因為這類(lèi)蛋白質(zhì)本身就是人體主要的結構蛋白，是細胞外基質(zhì)的主要成分。它們有足夠的機械強度，為細胞和組織成分提供結構空間。Andrew Hudson博士是這項研究的共同一作，用他的話(huà)說(shuō)，“人體幾乎每個(gè)組織都由膠原蛋白構成”。

盡管如此，要用天然的膠原蛋白做3D打印的生物墨水，還有難題需要解決?！八且簯B(tài)的，假如你想在空氣中把它打印出來(lái)，那么你只會(huì )在制作平臺上得到一灘水?！盚udson博士解釋。

▲該研究的負責人Adam Feinberg教授

如何讓膠原蛋白保持完整的組織形狀，還要達到高分辨率和高保真度？為此，Adam Feinberg教授領(lǐng)銜的研究團隊開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)，他們將其命名為“新鮮”（FRESH），全稱(chēng)是“懸浮水凝膠的自由可逆式嵌入”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）技術(shù)。

這種3D打印技術(shù)以明膠作為支撐床，特定濃度的膠原蛋白從靈活的打印噴嘴中擠出后，可以在支撐膠中逐層沉積和凝固。等到打印完成，研究人員把溫度從室溫調整到體溫，就可以讓支撐用的明膠融化，同時(shí)讓打印出來(lái)的膠原蛋白結構、嵌入膠原蛋白中的細胞保持完好。

利用FRESH技術(shù)，他們用細胞和膠原蛋白成功打印出不同尺寸的心臟零件：小到毛細血管，大到與新生兒心臟相當的人類(lèi)心臟模型，包括血管系統、腔室之間的瓣膜等結構。而且，分辨率最高達到20微米，大大超過(guò)原有技術(shù)100~500微米的分辨率。

研究人員還設計了一個(gè)使用兩種生物墨水打印的左心室模型，由膠原蛋白打印出內壁和外壁，中間是人類(lèi)胚胎干細胞來(lái)源的心肌細胞。正如他們的預期，在打印并培養4周后，這一3D人造組織不僅保持了完整的結構，并且產(chǎn)生了人類(lèi)心臟應有的自發(fā)搏動(dòng)功能！

▲用膠原蛋白和細胞兩種生物墨水打印出人工心室

Feinberg教授總結說(shuō)：“我們的研究結果表明，我們能用細胞和膠原蛋白打印出心臟的零件，把它們做成真正具有功能的部件，比如心臟瓣膜或跳動(dòng)的心室?！?/p>

有了這樣一種技術(shù)，不僅可以用膠原蛋白打印大尺寸的人體器官，研究人員認為，像纖維蛋白、透明質(zhì)酸、藻酸鹽等各種軟性生物材料，都可以作為生物墨水用于3D打印?！癋RESH技術(shù)為組織工程提供了一個(gè)適應性強大的平臺?！毖芯咳藛T介紹。

為了讓更多人可以使用這種3D打印技術(shù)，研究人員還將硬件平臺的設計“開(kāi)源”，免費分享。他們希望，不光是實(shí)驗室的科研人員，甚至中學(xué)科技小組的學(xué)生們，也可以構建并獲得低成本、高性能的3D生物打印機。

當然，研究者也提到，要打印符合成人尺寸的人造器官還有諸多挑戰，比如大型組織需要數十億的細胞。但是無(wú)疑，我們正在見(jiàn)證奇跡的實(shí)現過(guò)程。這項FRESH技術(shù)與開(kāi)頭提到的迷你人工肺打印技術(shù)，“正在讓按需打印器官更接近現實(shí)”。