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Science:打印一颗心!人造器官再现奇迹,科学家打

来源: 时间:2019-08-05
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就在不久前,学术经纬团队和读者朋友们介绍了3D打印器官的一项重磅突破:科学家们造出了包含血管和气道、会“呼吸”的迷你人工肺。该研究登上了顶尖学术期刊《科学》的封面。

而在最新一期《科学》上,生物工程学家们再次突破生物材料的技术障碍,带来一项“激动人心”的新成果。

生物打印技术模拟肺组织和复制人类心脏结构,让复杂的“人造器官”正在变成现实。

美国卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的科学家们开发出一种创新的3D生物打印技术,以胶原蛋白为材料,制造出具有更高分辨率、图案可以更复杂的人体器官组织支架。“这种史无前例的方法,使组织工程学领域向3D打印全尺寸成人心脏又迈进了一步。”研究机构的新闻介绍。

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胶原蛋白是一种十分理想的生物材料。因为这类蛋白质本身就是人体主要的结构蛋白,是细胞外基质的主要成分。它们有足够的机械强度,为细胞和组织成分提供结构空间。Andrew Hudson博士是这项研究的共同一作,用他的话说,“人体几乎每个组织都由胶原蛋白构成”。

尽管如此,要用天然的胶原蛋白做3D打印的生物墨水,还有难题需要解决。“它是液态的,假如你想在空气中把它打印出来,那么你只会在制作平台上得到一滩水。”Hudson博士解释。

如何让胶原蛋白保持完整的组织形状,还要达到高分辨率和高保真度?为此,Adam Feinberg教授领衔的研究团队开发了一种新技术,他们将其命名为“新鲜”(FRESH),全称是“悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入”(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels)技术。

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这种3D打印技术以明胶作为支撑床,特定浓度的胶原蛋白从灵活的打印喷嘴中挤出后,可以在支撑胶中逐层沉积和凝固。等到打印完成,研究人员把温度从室温调整到体温,就可以让支撑用的明胶融化,同时让打印出来的胶原蛋白结构、嵌入胶原蛋白中的细胞保持完好。

利用FRESH技术,他们用细胞和胶原蛋白成功打印出不同尺寸的心脏零件:小到毛细血管,大到与新生儿心脏相当的人类心脏模型,包括血管系统、腔室之间的瓣膜等结构。而且,分辨率最高达到20微米,大大超过原有技术100~500微米的分辨率。

研究人员用胶原蛋白打印出来的人工心脏瓣膜,瓣膜可以打开和关闭。

研究人员还设计了一个使用两种生物墨水打印的左心室模型,由胶原蛋白打印出内壁和外壁,中间是人类胚胎干细胞来源的心肌细胞。正如他们的预期,在打印并培养4周后,这一3D人造组织不仅保持了完整的结构,并且产生了人类心脏应有的自发搏动功能!
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用胶原蛋白和细胞两种生物墨水打印出人工心室,自发搏动的人工心室。

Feinberg教授总结说:“我们的研究结果表明,我们能用细胞和胶原蛋白打印出心脏的零件,把它们做成真正具有功能的部件,比如心脏瓣膜或跳动的心室。”

借助计算机断层扫描yabo88滚球,研究人员用胶原蛋白打印出的人工心脏精确地复制了具有患者个体特点的解剖结构。

有了这样一种技术,不仅可以用胶原蛋白打印大尺寸的人体器官,研究人员认为,像纤维蛋白、透明质酸、藻酸盐等各种软性生物材料,都可以作为生物墨水用于3D打印。“FRESH技术为组织工程提供了一个适应性强大的平台。”研究人员介绍。

为了让更多人可以使用这种3D打印技术,研究人员还将硬件平台的设计“开源”,免费分享。他们希望,不光是实验室的科研人员,甚至中学科技小组的学生们,也可以构建并获得低成本、高性能的3D生物打印机。
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当然,研究者也提到,要打印符合成人尺寸的人造器官还有诸多挑战,比如大型组织需要数十亿的细胞。但是无疑,我们正在见证奇迹的实现过程。这项FRESH技术与开头提到的迷你人工肺打印技术,“正在让按需打印器官更接近现实”。

原始出处:
A. Lee1,*, A. R. Hudson1,*, D. J. Shiwarski1, et al., (2019) 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science. DOI: 10.1126/science.aav9051
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