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卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種生物3D膠原蛋白技術(shù),，可以構(gòu)造出人類心臟的全部功能部件。（圖：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院）8月2日,，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué) Adam Feinberg 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊在《科學(xué)》（Science）刊發(fā)的一項研究中宣布,，該團(tuán)隊設(shè)計出 FRESH2.0 打印系統(tǒng)，并且通過該技術(shù)成功地獲得具有收縮能力的左心室,。“這是生物3D打印技術(shù)對再生醫(yī)學(xué)和器官再造科學(xué)發(fā)展的一個重大貢獻(xiàn),。” 清華大學(xué)機(jī)械工程系教授孫偉對《知識分子》表示,，構(gòu)建內(nèi)含血管通道的功能性心肌組織,，一直是心肌組織工程的難點。這次創(chuàng)新證明 3D 打印可以構(gòu)建具有微通道的心肌組織,，通過皮下培養(yǎng)形成血管內(nèi)通道,，在外界刺激下實現(xiàn)功能收縮。“3D打印” 最初是通過粘合劑材料作為 “墨水” 逐層堆積獲得三維物體,，近年來隨著技術(shù)的發(fā)展和 “墨水” 種類的豐富,，3D 打印技術(shù)被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域：小到服裝玩具，大到汽車和航空航天材料,。利用細(xì)胞,、生長因子等生物活性材料作為 “墨水” 在水凝膠中打印的 “3D 生物打印” 在研發(fā)藥物、制造器官中開始嶄露頭角,，已有實驗成功運用 3D 生物打印軟骨組織修復(fù)膝關(guān)節(jié)軟骨缺陷,。但是目前為止仍然無法通過 3D 打印技術(shù)構(gòu)建具有功能的整個器官。2019年4月,，特拉維夫大學(xué)（TAU）的 Tal Dvir 團(tuán)隊利用由患者組織處理獲得的心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞,，在加入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的水凝膠中制造出了櫻桃大小的全球首例3D打印出完整結(jié)構(gòu)的心臟,。不過，孫偉評論稱,，該心臟 “貌似不等于神似”，并不具備心臟的生理功能,。在最新的這一研究中,，Adam Feinberg 團(tuán)隊設(shè)計出 FRESH2.0 打印系統(tǒng),，采用心肌細(xì)胞和膠原蛋白雙材料的印刷策略,，打印出了一個左心室模型,，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,。FRESH2.0 打印系統(tǒng)是基于膠原蛋白的成功利用而開發(fā)的,。膠原蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中起著維持細(xì)胞結(jié)構(gòu),、提供粘附,、傳導(dǎo)信號等作用,，是作為 “支架” 的理想材料,。研究者改良了生物材料在水凝膠中的組裝機(jī)制——利用酸堿度變化驅(qū)動生物材料的自組裝,，與傳統(tǒng)的熱驅(qū)動相比,，酸堿度驅(qū)動組裝解決了傳統(tǒng)水凝膠柔軟,、支持力度不夠的問題,，允許使用更強(qiáng)濃度的膠原作為墨水從而增強(qiáng)機(jī)械性能,，更有利于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造,。不僅如此,，研究者改良了凝膠微粒的生產(chǎn)工藝,，減少了凝膠微粒的直徑和分散程度,，并且將凝膠微粒形狀調(diào)整成了均勻球狀形態(tài),，從而將印刷的分辨率提升了一個數(shù)量級,。這兩項改進(jìn)實現(xiàn)了在水凝膠中印刷精準(zhǔn)膠原蛋白。為了證明 FRESH2.0 打印系統(tǒng)的功能,，研究者先將印刷物植入小鼠皮下，結(jié)果顯示其能夠生成完整的血管網(wǎng),。該系統(tǒng)又打印出了具有收縮能力的左心室和能夠承載生理壓力的三尖瓣,，這表明膠原結(jié)構(gòu)在人體中的機(jī)械完整性。通過灌注,，驗證了血管網(wǎng)的暢通性。最后打印出新生兒比例的人體心臟膠原模型,，由此證明 FRESH2.0 打印大型結(jié)構(gòu)能力,。那么，這是否證明 FRESH2.0 可以打印功能齊全的心臟了呢,？Adam Feinberg 表示目前仍有許多挑戰(zhàn)需要克服,，例如打印所需的數(shù)十億細(xì)胞。目前,，F(xiàn)RESH2.0 作為打印系統(tǒng)，有能力構(gòu)建模型,，有潛力成為研究器官結(jié)構(gòu),、機(jī)械強(qiáng)度和生物學(xué)特性的強(qiáng)有力工具,。對 3D 打印心臟的未來,，孫偉認(rèn)為,，“我們也許永遠(yuǎn)不要期待用 3D 打印可以直接打印出具有生理功能的心臟,。” 為何這么說,？孫偉補(bǔ)充說，隨著生物 3D 打印技術(shù)的發(fā)展,，新穎生物墨水的使用,，干細(xì)胞和細(xì)胞生物學(xué)的突破，有可能用生物 3D 打印技術(shù)打印出心臟再生所需的生物學(xué)模型，然后在此基礎(chǔ)上,，通過細(xì)胞生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)的交叉融合,，最終實現(xiàn)心臟再造。“我樂觀估計我們離這一天大概還需要15年的努力,?！?孫偉最后預(yù)測道。1. Lee, A. etal., 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science 365, no. 6452 (2019): 482-4872. Hong, N. etal., 3d Bioprinting and Its in Vivo Applications. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 106, no. 1 (2018): 444-59.3. Noor, N. etal., 3d Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts. Advanced Science 6, no. 11(2019): 1900344.
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