發(fā)布日期：2019-08-05
就在不久前，學(xué)術(shù)經(jīng)緯團(tuán)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“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，帶來一項“激動人心”的新成果。
▲生物打印技術(shù)模擬肺組織和復(fù)制人類心臟結(jié)構(gòu)，讓復(fù)雜的“人造器官”正在變成現(xiàn)實（圖片來源：參考資料[2]）美國卡耐基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的科學(xué)家們開發(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(fù)雜的人體器官組織支架。“這種史無前例的方法，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。”研究機(jī)構(gòu)的新聞介紹。
膠原蛋白是一種十分理想的生物材料。因為這類蛋白質(zhì)本身就是人體主要的結(jié)構(gòu)蛋白，是細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分。它們有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，為細(xì)胞和組織成分提供結(jié)構(gòu)空間。Andrew Hudson博士是這項研究的共同一作，用他的話說，“人體幾乎每個組織都由膠原蛋白構(gòu)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。“它是液態(tài)的，假如你想在空氣中把它打印出來，那么你只會在制作平臺上得到一灘水。”Hudson博士解釋。
▲該研究的負(fù)責(zé)人Adam Feinberg教授（圖片來源：卡耐基梅隆大學(xué)）如何讓膠原蛋白保持完整的組織形狀，還要達(dá)到高分辨率和高保真度？為此，Adam Feinberg教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種新技術(shù)，他們將其命名為“新鮮”（FRESH），全稱是“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(diào)整到體溫，就可以讓支撐用的明膠融化，同時讓打印出來的膠原蛋白結(jié)構(gòu)、嵌入膠原蛋白中的細(xì)胞保持完好。
利用FRESH技術(shù)，他們用細(xì)胞和膠原蛋白成功打印出不同尺寸的心臟零件：小到毛細(xì)血管，大到與新生兒心臟相當(dāng)?shù)娜祟愋呐K模型，包括血管系統(tǒng)、腔室之間的瓣膜等結(jié)構(gòu)。而且，分辨率最高達(dá)到20微米，大大超過原有技術(shù)100~500微米的分辨率。
研究人員還設(shè)計了一個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(nèi)壁和外壁，中間是人類胚胎干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞。正如他們的預(yù)期，在打印并培養(yǎng)4周后，這一3D人造組織不僅保持了完整的結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)生了人類心臟應(yīng)有的自發(fā)搏動功能！
▲用膠原蛋白和細(xì)胞兩種生物墨水打印出人工心室（圖片來源：參考資料[1]）Feinberg教授總結(jié)說：“我們的研究結(jié)果表明，我們能用細(xì)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的心室。”
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(rèn)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。“FRESH技術(shù)為組織工程提供了一個適應(yīng)性強(qiáng)大的平臺。”研究人員介紹。
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(shè)計“開源”，免費(fèi)分享。他們希望，不光是實驗室的科研人員，甚至中學(xué)科技小組的學(xué)生們，也可以構(gòu)建并獲得低成本、高性能的3D生物打印機(jī)。
當(dāng)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(zhàn)，比如大型組織需要數(shù)十億的細(xì)胞。但是無疑，我們正在見證奇跡的實現(xiàn)過程。這項FRESH技術(shù)與開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(xiàn)實”。
參考資料：
[1] A. Lee et al., (2019) 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science. DOI: 10.1126/science.aav9051
[2] Queeny Dasgupta1 and Lauren D. Black III (2019) A FRESH SLATE for 3D bioprinting. Science. DOI: 10.1126/science.aay0478
[3] 3D printing the human heart. Retrieved Aug. 4, 2019, from https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2019/08/01-feinberg-science-paper.html
來源： 學(xué)術(shù)經(jīng)緯
