3D生物打印再升級，可用人造心臟或成現(xiàn)實

30年前，3D打印技術第一次進入人們的視野。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

如今，3D打印技術的應用領域已遠遠超出人們的預想，令人不可思議的3D打印食物、3D打印藥物、3D打印房屋、3D打印汽車相繼出現(xiàn)，甚至連3D打印空間站工具和零件都有了。

而在醫(yī)療領域，科學家們也已成功使用3D技術來生產(chǎn)定制假肢、植入物、髖關節(jié)置換、助聽器，甚至是假牙。今年4月，以色列科學家還向世界展示了全球首例3D打印的櫻桃般大小的“完整心臟”。不過，現(xiàn)階段3D打印人體器官依然不夠成熟。實驗室中通過3D打印制造的組織和器官，在尺寸、結構、細胞種類、細胞存活時間等多方面還和人體器官有差距或是有限制，通常無法實現(xiàn)人體器官的復雜功能，只能被稱為“類組織”或“類器官”。



3D生物打印再升級，可用人造心臟或成現(xiàn)實

好消息是，近日卡內(nèi)基梅隆大學工程學院(College of Engineering, Carnegie Mellon University)的研究人員宣布，他們已成功開發(fā)了一種史無前例的3D生物打印方法，使組織工程領域向3D打印全尺寸成人心臟又邁進了一步。

這項技術被稱為Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH)，它使研究人員克服了現(xiàn)有3D生物打印方法面臨的許多挑戰(zhàn)，并利用軟質(zhì)和活性材料實現(xiàn)了前所未有的分辨率和保真度。

人體的每一個器官，比如心臟，都是由特殊細胞構成的，它們由一種叫做細胞外基質(zhì)(ECM)的生物支架連接在一起。這種ECM蛋白網(wǎng)絡提供細胞正常功能所需的結構和生化信號。然而，到目前為止，憑借傳統(tǒng)的生物制造方法還無法重建這個復雜的ECM架構。

卡內(nèi)基梅隆大學生物醫(yī)學工程(BME)與材料科學工程的教授亞當?范伯格(Adam Feinberg)說：“通過使用人類心臟的MRI數(shù)據(jù)，我們能夠準確地重現(xiàn)患者特定的解剖結構、3D生物打印膠原蛋白和人類心臟細胞，使它們具備如心臟瓣膜或心室一樣的真正功能。”

“膠原蛋白是一種非常理想的3D打印生物材料，因為它幾乎構成了你身體的每一個組織，” 范伯格實驗室的BME博士生安德魯·哈德森(Andrew Hudson)解釋說，“然而，3D打印之所以如此困難，是因為它一開始是液態(tài)的--所以如果你想在空中打印它，它只會在你的構建平臺上形成一個水坑。所以我們開發(fā)了一種技術來防止它變形。”



3D生物打印再升級，可用人造心臟或成現(xiàn)實

范伯格實驗室開發(fā)的“FRESH”3D生物打印技術，能讓膠原蛋白在凝膠支撐液中逐層沉積，使膠原蛋白有機會在從支撐液中取出之前凝固到位。用“FRESH”技術打印完成后，將凝膠從室溫加熱至體溫即可將支撐凝膠融化。這樣，研究人員就可以在不破壞已打印的膠原蛋白或細胞結構的前提下移除支撐凝膠。

這種方法是3D生物打印領域真正令人興奮的突破。因為它能夠針對大型人體器官打印膠原蛋白支架。不僅限于膠原蛋白，其他多種軟性凝膠，比如纖維蛋白、藻酸鹽、透明質(zhì)酸等，均可通過“FRESH”技術進行3D生物打印，為組織工程提供了一個強大、適應性強的平臺。重要的是，研究人員還開發(fā)了開源設計，這樣幾乎任何人(從醫(yī)學實驗室到高中科學班)，都可以構建并獲得低成本、高性能的3D生物打印機。

展望未來，F(xiàn)RESH在再生醫(yī)學的許多方面都能用得上，從傷口修復到器官生物工程，但它只是一個不斷增長的生物制造領域的一部分。

作為卡內(nèi)基梅隆大學生物工程器官計劃的成員之一，范伯格博士指出，“我們真正談論的是技術的融合。不僅僅是我的實驗室在生物打印方面所做的，還有其他實驗室和公司在干細胞科學、機器學習、計算機模擬以及新的3D生物打印硬件和軟件領域所做的工作。雖然我們很興奮在設計人體功能性組織和器官方面取得了真正的進展，但還有許多研究尚未完成。”

卡內(nèi)基梅隆大學的研究人員在 新《科學》雜志上發(fā)表論文，詳細介紹了這種新技術。