3D列印的「晶元上的器官」：有效助推人體健康研究

知識 10-26

「晶元上的心臟」是一種完全通過3D列印技術，通過內置感測器測量身體組織的收縮力量，為科學家研究心臟肌肉組織開闢了新途徑。

（圖片來源於: 疾病的生物物理學研究小組 Johan Lind/劉易斯實驗室，Lori K. Sanders/哈佛大學）

引言

哈佛大學研究人員設計了首個完全通過3D列印的「晶元上的心臟」，同時集成了感知功能。這種3D列印的「晶元上的心臟」，可通過完全自動化的數字製造工藝，快速地定製。研究人員可簡便地採集值得信賴的數據，用於長期和短期研究。該研究發表在《自然材料》雜誌上。

研究簡介

或許有一天，研究人員可使用這種新型製造方案，快速設計「晶元上的器官」，也稱為微生理學系統，以應對某些特殊疾病的需要，甚至模仿個別病人的細胞。

論文的第一作者、哈佛大學約翰 · 保爾森學院工程和應用科學（SEAS）的博士後研究員、哈佛大學懷斯生物工程研究所的研究員 Johan Ulrik Lind 如此評價道：

「這種構建『晶元上的器官』的新型可編程方案，不僅讓我們通過集成感知功能，簡單地改變和定製系統設計，同時也大大地簡化數據獲取的複雜度。」

生物工程和應用物理學系的塔爾家族教授、論文的合著者、同時也是懷斯研究所的核心成員 Kit Parker 評論道：

「我們的微製造方案為體外組織工程、毒理學、藥物篩選研究開闢了新的道路。」

「晶元上的器官」的功能和作用

「晶元上的器官」模仿自然組織的結構與功能，已經成為一個替代傳統動物測試的有效選擇。哈佛大學研究人員開發的微生理學系統，可以模仿肺、心、舌和腸的微體系結構和功能。

「晶元上的器官」的主要挑戰

然而對於「晶元上的器官」來說，生產製造和數據採集的過程是相對昂貴和艱苦的。目前，這些內置在乾淨空間的設備使用複雜的多步驟平版印刷工藝，且需要採用顯微鏡和高速攝像頭採集數據。

新型解決方案

論文的合著者、劉易斯實驗室的畢業生 Travis Busbee 說，

「我們的方案通過數字製造方法，同時應對了這兩項挑戰。我們通過開發用於多種材料新型3D列印墨水，能夠自動化製造工藝，同時增加設備複雜度。」

研究人員開發了六種不同的墨水，以便在組織的微架構內，集成柔軟的應變感測器。團隊通過單個持續的流程，將這些材料3D列印進入心臟的微生理學設備中（晶元上的心臟），以集成這些感測器。

生物工程專業的漢斯約格維斯教授、論文的合著者、懷斯研究所的核心成員 Jennifer Lewis 說：

「我們正在通過在列印設備內開發和集成多功能材料，推進3D列印技術。這項研究是一個強有力的展示。我們的平台可以用於製造全功能、儀錶化的晶元，用於藥物篩選和疾病建模。」

3D列印的「晶元上的器官」：有效助推人體健康研究

這種「晶元上的心臟」完全由多材料3D列印技術自動化製造，在千分尺解析度下集成六個定製的列印墨水。

（圖片來源於: 疾病的生物物理學研究小組 Johan Lind/劉易斯實驗室，Lori K. Sanders/哈佛大學）

研究的實用價值和意義

晶元包含多個井，每個都有獨立的器官組織和集成的感測器，讓研究人員可以同時研究多個人工的心臟組織。為了展示設備的功效，團隊進行了一項藥物研究，以及人工心臟組織收縮力漸變的長期研究，研究可持續幾周時間。

Lind 認為：

「在心臟組織發育和成熟的過程中，它會發生漸變。而研究人員卻無法有效地開展研究，因為缺少一種簡單、非侵入的途徑衡量使用性能。而這些集成的感測器，讓研究人員在組織成熟時，持續採集數據，提高他們的收縮力。類似地，他們也可以開啟暴露於毒素中的緩變效果研究。」

Parker 認為：

「微生理學設備正向研究人類健康和疾病的真正有價值的平台轉變，所以需要我們解決設備的數據獲取和生產製造的問題。這項研究提供了一種解決這些核心挑戰的有效方案。」

參考資料

【1】http://phys.org/news/2016-10-d-printed-organ-on-a-chip-sensors.html

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