Science：胶原蛋白做“墨水”，3D生物打印出会跳动的心

转自“生物探索” 2019-8-5

美国卡耐基梅隆大学的研究人员开发了一种新的3D生物打印方法，使组织工程领域3D生物打印全尺寸成人心脏的梦想又近了一步。

尽管当下3D打印生物器官已经取得了里程碑式成果，但在用活细胞和软生物材料打印方面仍有困难。其中一个关键的障碍就是，缺乏打印过程中支持柔软和动态的生物材料，以实现重建复杂的3D结构和功能所需的分辨率和保真度。

现在，美国卡耐基梅隆大学（CMU）的研究人员找到了解决方案。他们开发了一种叫做Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels（FRESH）技术，以胶原蛋白为生物墨水，3D生物打印了人类心脏的功能性部件（血管、瓣膜和心室搏动），并实现了前所未有的分辨率和保真度。相关研究结果发表在《Science》杂志上。

DOI: 10.1126/science.aav9051

3D打印会跳动的心

人体的每一个器官，都是由一种叫做细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的生物支架，将各种特殊的细胞组成在一起的。ECM蛋白网络提供了细胞执行正常功能所需的结构和生化信号。然而，到目前为止，还不可能使用传统的生物制造方法重建这种复杂的ECM结构。

Adam Feinberg教授。图片来源：CMU。

卡耐基梅隆大学的材料工程与生物医学专业（BME）教授Adam Feinberg说道，“我们研究表明，可以将心脏细胞和胶原蛋白打印成心脏关键部件，比如心脏瓣膜或小的跳动心室。”

“胶原蛋白是一种非常理想的3D生物打印材料，因为它几乎存在于人体的每一个组织，”论文的第一作者、BME博士的Andrew Hudson解释道，“然而，最初天然的胶原蛋白应用于3D生物打印也有困难，因为它是液态的，在空气中打印就只会得到一滩水。我们通过pH值的快速变化克服了这些障碍，使胶原蛋白在精确控制下凝固。”

在最新的研究中，Feinberg实验室开发的FRESH 3D生物打印方法允许胶原蛋白在支持凝胶中逐层沉积，使胶原蛋白有机会在从支持凝胶中取出之前固化。使用FRESH技术，打印完成后，通过将凝胶从室温加热至体温，即可将支持凝胶融化。这样，研究人员就可以在不破坏胶原蛋白或细胞打印结构的前提下移除支持凝胶。

卡内基梅隆大学的研究人员开发出一种3D生物打印胶原蛋白技术，可以制造人体心脏的全功能成分。图片来源：CMU。

开源平台，免费分享

FRESH这种方法对于3D生物打印领域来说是非常令人兴奋的，因为它允许胶原支架打印大尺寸的人体器官。而且它不限于胶原蛋白，纤维蛋白、藻酸盐、透明质酸等多种软性生物材料均可作为生物墨水。通过FRESH技术进行3D生物打印，为组织工程提供了一个强大且适应性强的平台。更重要的是，研究人员还做了开源设计，这样任何人都可以构建并获得低成本、高性能的3D生物打印机。

Feinberg表示，近期会进行例如因心脏病或肝脏受损而丧失功能的心脏修补工作。展望未来，从伤口修复到器官生物工程，FRESH在再生医学的许多方面都会有所应用。目前仍然存在的挑战是打印大型组织需要数十亿的细胞，如何实现制造规模以及遵循监管程序，以便能在动物和人类中进行测试。

尽管任重道远，但我们距离实现3D生物打印全尺寸人类心脏的梦想又近了一步。

参考资料：

[1] 3D printing the human heart

[2] RESEARCHERS 3D PRINT FUNCTIONAL COMPONENTS OF HUMAN HEART

[3]Scientists 3D-print collagen heart parts

[4]CARNEGIE MELLON ADVANCES FRESH 3D BIOPRINTING TO REBUILD THE HEART

[5] 3-D printing the human heart

[6] FRESH 3D Printing Used to Rebuild Functional Components of Human Heart

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