3D打印的人類心臟可實(shí)現(xiàn)部分心臟功能

一種史無(wú)前例的技術(shù)方法，它使得組織工程學(xué)向著 3D 打印出全尺寸的成人心臟又邁進(jìn)了一大步?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的研究人員于 8 月 2 日在 Science 雜志上發(fā)表了一篇論文，介紹了一種新的、采用膠原蛋白來(lái) 3D 生物打印出人體組織結(jié)構(gòu)的技術(shù)。其中所使用的打印材料膠原蛋白，正是人體的主要結(jié)構(gòu)蛋白。

在該研究中，論文的第一作者 Andrew Lee 和他的同事，采用心肌細(xì)胞和膠原蛋白雙材料的打印策略，打印出一個(gè)左心室模型，并進(jìn)一步分析了該模型的功能，觀察到了心率失常相關(guān)的電生理行為和心室收縮現(xiàn)象。他們甚至進(jìn)一步打印出相當(dāng)于新生兒的人體心臟膠原模型，證明了 FRESH2.0 打印大型結(jié)構(gòu)的能力。

這項(xiàng)技術(shù)被其研究團(tuán)隊(duì)稱為“懸浮水凝膠的自由可逆嵌入”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels, FRESH），該技術(shù)的發(fā)現(xiàn)幫助研究人員克服了現(xiàn)有 3D 生物打印技術(shù)涉及的諸多問(wèn)題，并利用“柔軟而有生命”的活體材料，讓打印出的組織結(jié)構(gòu)達(dá)到前所未有的分辨率和保真度。

3D 打印是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用各自不同的材料，通過(guò)逐層疊加的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。技術(shù)出現(xiàn)伊始，常用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。最早在 2000 年前后， 3D 生物打印這一技術(shù)概念由美國(guó)幾所大學(xué)的教授提出；至 2003 年， Mironv V 和 Boland T 在 Trends in Biotechnology 雜志系統(tǒng)地提出了“器官 3D 打印”這一概念。

盡管 3D 打印技術(shù)的潛力巨大，但受限于生物組織的保真度差、打印的分辨率低等技術(shù)限制， 3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用受到了極大掣肘。特別是用活細(xì)胞打印和制造膠原蛋白等軟質(zhì)生物材料，這兩個(gè)被寄予厚望的研究目標(biāo)一直舉步維艱。如今，這項(xiàng)最新研究突破了這一技術(shù)瓶頸。

Andrew Lee 在 2015 年第一次提出該方法（FRESH），經(jīng)過(guò)了 4 年多的不斷改良和研發(fā)，到了 FRESH v2.0 版本， 3D 生物打印技術(shù)利用 pH 值的快速變化，可使擠壓出的膠原蛋白凝固，并實(shí)現(xiàn)精確控制。

FRESH v2.0 的 3D 生物打印技術(shù)可以創(chuàng)建出擁有復(fù)雜功能的組織結(jié)構(gòu)，并能將其進(jìn)一步嵌入活細(xì)胞或復(fù)雜的血管系統(tǒng)中，其打印分辨率可達(dá) 10 μm 。Lee 和他的同事用這種方法，可以完全依靠膠原蛋白和人體細(xì)胞來(lái)制造出人類心臟的各個(gè)部分，包括心臟組織、收縮心室，甚至是新生兒尺寸的心臟。

人體的每一個(gè)器官，都是由一種叫做細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）的生物支架，將各種特殊的細(xì)胞組成在一起的。這種 ECM 蛋白網(wǎng)絡(luò)可以提供人體細(xì)胞正常功能運(yùn)轉(zhuǎn)所需的結(jié)構(gòu)和生化信號(hào)。這個(gè) ECM 架構(gòu)如此復(fù)雜，以至到目前為止，研究人員還沒有發(fā)現(xiàn)任何使用傳統(tǒng)的生物制造方法來(lái)重建的可能。傳統(tǒng)方法遇阻，很多科研人員都轉(zhuǎn)向 3D 生物打印的研究，以期獲得突破。

對(duì)于 3D 生物打印領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，相比于之前采用其他材料做出的突破， FRESH 技術(shù)的發(fā)現(xiàn)是真正令人感到興奮的。因?yàn)樗梢杂媚z原支架打印出大規(guī)模的人體器官。在今年 4 月，以色列特拉維夫大學(xué)（Tel Aviv University）的研究團(tuán)隊(duì)采用人體組織首次 3D 打印出了一顆心臟，而在此之前，人們所打印出的心臟通常采用的都是人工材料。

特拉維夫大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)所打印出的這顆心臟是一個(gè)微縮模型，僅有櫻桃大?。ㄏ喈?dāng)于兔子的心臟），雖然是帶有血管和細(xì)胞的完整心臟，但并不能統(tǒng)一地收縮和舒張，不具備泵血功能。而且從器官體積來(lái)看，如果想達(dá)到打印出人類心臟大小的程度，實(shí)際還需要長(zhǎng)期的研究。

對(duì)于 FRESH 技術(shù)，其不僅限于膠原蛋白的 3D 打印，纖維蛋白、藻酸鹽、透明質(zhì)酸等多種軟性凝膠均可采用該技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 3D 打印，這就為組織工程學(xué)提供了一個(gè)強(qiáng)大的、適用性廣泛的平臺(tái)。另外很關(guān)鍵的一點(diǎn)是，研究人員同時(shí)開發(fā)了數(shù)字建模的開源設(shè)計(jì)，這樣可以讓任何人——不論是在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，還是在高中大學(xué)校園里的學(xué)生——都可以用較低的成本構(gòu)建出自己的高性能 3D 生物打印機(jī)。

著眼于未來(lái)， FRESH 技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的許多方面都能得以應(yīng)用，從傷口修復(fù)到器官生物工程，橫跨多個(gè)方向。在美國(guó)，目前有 4000 多名患者正在排隊(duì)等待心臟移植，而世界范圍內(nèi)，則更是有數(shù)百萬(wàn)人需要心臟，但卻沒有資格進(jìn)入等候名單。所以市場(chǎng)對(duì)替代器官的需求是相當(dāng)大的，需要有新的方法來(lái)修復(fù)、補(bǔ)充或者制造出能長(zhǎng)期替代器官功能的人造器官。

2018 年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的再生生物材料和治療集團(tuán)利用 FRESH 技術(shù)創(chuàng)立了 FLuidForm 公司，并與開源 3D 打印機(jī)制造商 Aleph Objects 合作，攜手進(jìn)入 3D 生物打印市場(chǎng)。對(duì) Aleph Objects 的 CEO 兼總裁 Grant Flaharty 來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)合作讓他們成為未來(lái) 8~9 年內(nèi)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到近 20 億美元的新市場(chǎng)的一部分。