真正的“3D打印心脏”，离我们还有多远？

真正的“3D打印心脏”，离我们还有多远？


卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种生物3D胶原蛋白技术，可以构造出人类心脏的全部功能部件。（图：卡内基梅隆大学工程学院）



撰文 | 孙一丹 汤佩兰

8月2日，美国卡内基梅隆大学 Adam Feinberg 领导的研究团队在《科学》（Science）刊发的一项研究中宣布，该团队设计出 FRESH2.0 打印系统，并且通过该技术成功地获得具有收缩能力的左心室。

“这是生物3D打印技术对再生医学和器官再造科学发展的一个重大贡献。” 清华大学机械工程系教授孙伟对《知识分子》表示，构建内含血管通道的功能性心肌组织，一直是心肌组织工程的难点。这次创新证明 3D 打印可以构建具有微通道的心肌组织，通过皮下培养形成血管内通道，在外界刺激下实现功能收缩。

“3D打印”  初是通过粘合剂材料作为 “墨水” 逐层堆积获得三维物体，近年来随着技术的发展和 “墨水” 种类的丰富，3D 打印技术被应用于越来越多的领域：小到服装玩具，大到汽车和航空航天材料。利用细胞、生长因子等生物活性材料作为 “墨水” 在水凝胶中打印的 “3D 生物打印” 在研发药物、制造器官中开始崭露头角，已有实验成功运用 3D 生物打印软骨组织修复膝关节软骨缺陷。但是目前为止仍然无法通过 3D 打印技术构建具有功能的整个器官。

2019年4月，特拉维夫大学（TAU）的 Tal Dvir 团队利用由患者组织处理获得的心肌细胞和内皮细胞，在加入细胞质基质的水凝胶中制造出了樱桃大小的全球首例3D打印出完整结构的心脏。不过，孙伟评论称，该心脏 “貌似不等于神似”，并不具备心脏的生理功能。

在 新的这一研究中，Adam Feinberg 团队设计出 FRESH2.0 打印系统，采用心肌细胞和胶原蛋白双材料的印刷策略，打印出了一个左心室模型，并进一步分析了该模型的功能，观察到了心率失常相关的电生理行为和心室收缩现象。

FRESH2.0 打印系统是基于胶原蛋白的成功利用而开发的。胶原蛋白在细胞质基质中起着维持细胞结构、提供粘附、传导信号等作用，是作为 “支架” 的理想材料。

研究者改良了生物材料在水凝胶中的组装机制——利用酸碱度变化驱动生物材料的自组装，与传统的热驱动相比，酸碱度驱动组装解决了传统水凝胶柔软、支持力度不够的问题，允许使用更强浓度的胶原作为墨水从而增强机械性能，更有利于复杂结构的制造。不仅如此，研究者改良了凝胶微粒的生产工艺，减少了凝胶微粒的直径和分散程度，并且将凝胶微粒形状调整成了均匀球状形态，从而将印刷的分辨率提升了一个数量级。这两项改进实现了在水凝胶中印刷精准胶原蛋白。

为了证明 FRESH2.0 打印系统的功能，研究者先将印刷物植入小鼠皮下，结果显示其能够生成完整的血管网。该系统又打印出了具有收缩能力的左心室和能够承载生理压力的三尖瓣，这表明胶原结构在人体中的机械完整性。通过灌注，验证了血管网的畅通性。最后打印出新生儿比例的人体心脏胶原模型，由此证明 FRESH2.0 打印大型结构能力。

那么，这是否证明 FRESH2.0 可以打印功能齐全的心脏了呢？Adam Feinberg 表示目前仍有许多挑战需要克服，例如打印所需的数十亿细胞。目前，FRESH2.0 作为打印系统，有能力构建模型，有潜力成为研究器官结构、机械强度和生物学特性的强有力工具。

对 3D 打印心脏的未来，孙伟认为，“我们也许永远不要期待用 3D 打印可以直接打印出具有生理功能的心脏。” 为何这么说？

孙伟补充说，随着生物 3D 打印技术的发展，新颖生物墨水的使用，干细胞和细胞生物学的突破，有可能用生物 3D 打印技术打印出心脏再生所需的生物学模型，然后在此基础上，通过细胞生物学和发育生物学的交叉融合，最终实现心脏再造。

“我乐观估计我们离这一天大概还需要15年的努力。” 孙伟最后预测道。



参考资料：

1. Lee, A. etal., 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science 365, no. 6452 (2019): 482-487

2. 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.