8月2日，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Adam Feinberg領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在《科學(xué)》（Science）刊發(fā)的一項研究中宣布，該團隊設(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?！鼻迦A大學(xué)機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團隊利用由患者組織處理獲得的心肌細胞和內(nèi)皮細胞，在加入細胞質(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團隊設(shè)計出FRESH2.0打印系統(tǒng)，采用心肌細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。膠原蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)中起著維持細胞結(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，允許使用更強濃度的膠原作為墨水從而增強機械性能，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)、機械強度和生物學(xué)特性的強有力工具。
對3D打印心臟的未來，孫偉認(rèn)為，“我們也許永遠不要期待用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，干細胞和細胞生物學(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?！睂O偉最后預(yù)測道。
“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?！鼻迦A大學(xué)機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團隊利用由患者組織處理獲得的心肌細胞和內(nèi)皮細胞，在加入細胞質(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團隊設(shè)計出FRESH2.0打印系統(tǒng)，采用心肌細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。膠原蛋白在細胞質(zhì)基質(zhì)中起著維持細胞結(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，允許使用更強濃度的膠原作為墨水從而增強機械性能，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)、機械強度和生物學(xué)特性的強有力工具。
對3D打印心臟的未來，孫偉認(rèn)為，“我們也許永遠不要期待用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，干細胞和細胞生物學(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?！睂O偉最后預(yù)測道。
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