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(shù)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(lán)圖變成實物。

如今，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)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(lǐng)域，科學(xué)家們也已成功使用3D技術(shù)來生產(chǎn)定制假肢、植入物、髖關(guān)節(jié)置換、助聽器，甚至是假牙。今年4月，以色列科學(xué)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(jié)構(gòu)、細(xì)胞種類、細(xì)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(fù)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(xué)工程學(xué)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(lǐng)域向3D打印全尺寸成人心臟又邁進了一步。

這項技術(shù)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(xì)胞構(gòu)成的，它們由一種叫做細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的生物支架連接在一起。這種ECM蛋白網(wǎng)絡(luò)提供細(xì)胞正常功能所需的結(jié)構(gòu)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(fù)雜的ECM架構(gòu)。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程(BME)與材料科學(xué)工程的教授亞當(dāng)?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(zhǔn)確地重現(xiàn)患者特定的解剖結(jié)構(gòu)、3D生物打印膠原蛋白和人類心臟細(xì)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(gòu)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(gòu)建平臺上形成一個水坑。所以我們開發(fā)了一種技術(shù)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(shù)，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(shù)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(xì)胞結(jié)構(gòu)的前提下移除支撐凝膠。

這種方法是3D生物打印領(lǐng)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(shù)進行3D生物打印，為組織工程提供了一個強大、適應(yīng)性強的平臺。重要的是，研究人員還開發(fā)了開源設(shè)計，這樣幾乎任何人(從醫(yī)學(xué)實驗室到高中科學(xué)班)，都可以構(gòu)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(xué)的許多方面都能用得上，從傷口修復(fù)到器官生物工程，但它只是一個不斷增長的生物制造領(lǐng)域的一部分。

作為卡內(nèi)基梅隆大學(xué)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?wù)摰氖羌夹g(shù)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(xì)胞科學(xué)、機器學(xué)習(xí)、計算機模擬以及新的3D生物打印硬件和軟件領(lǐng)域所做的工作。雖然我們很興奮在設(shè)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(xué)的研究人員在 新《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，詳細(xì)介紹了這種新技術(shù)。