人造器官再現奇蹟，科學家列印出會跳動的心

來源丨學術經緯（ID：Global_Academia）

作者丨ROGERS

在上周最新一期《科學》上，生物工程學家們再次突破生物材料的技術障礙，帶來一項「激動人心」的新成果。

美國卡耐基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的科學家們開發出一種創新的3D生物列印技術，以膠原蛋白為材料，製造出具有更高解析度、圖案可以更複雜的人體器官組織支架。

生物列印技術模擬肺組織和複製人類心臟結構，讓複雜的「人造器官」正在變成現實 | 參考資料[2]

「這種史無前例的方法，使組織工程學領域向3D列印全尺寸成人心臟又邁進了一步。」研究機構的新聞介紹。

膠原蛋白是一種十分理想的生物材料。因為這類蛋白質本身就是人體主要的結構蛋白，是細胞外基質的主要成分。它們有足夠的機械強度，為細胞和組織成分提供結構空間。Andrew Hudson博士是這項研究的共同一作，用他的話說，「人體幾乎每個組織都由膠原蛋白構成」。

儘管如此，要用天然的膠原蛋白做3D列印的生物墨水，還有難題需要解決。「它是液態的，假如你想在空氣中把它列印出來，那麼你只會在製作平台上得到一灘水。」Hudson博士解釋。

該研究的負責人Adam Feinberg教授 | 卡耐基梅隆大學

如何讓膠原蛋白保持完整的組織形狀，還要達到高解析度和高保真度？為此，Adam Feinberg教授領銜的研究團隊開發了一種新技術，他們將其命名為「新鮮」（FRESH），全稱是「懸浮水凝膠的自由可逆式嵌入」（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）技術。

這種3D列印技術以明膠作為支撐床，特定濃度的膠原蛋白從靈活的列印噴嘴中擠出後，可以在支撐膠中逐層沉積和凝固。等到列印完成，研究人員把溫度從室溫調整到體溫，就可以讓支撐用的明膠融化，同時讓列印出來的膠原蛋白結構、嵌入膠原蛋白中的細胞保持完好。

利用FRESH技術，他們用細胞和膠原蛋白成功列印出不同尺寸的心臟零件：小到毛細血管，大到與新生兒心臟相當的人類心臟模型，包括血管系統、腔室之間的瓣膜等結構。而且，解析度最高達到20微米，大大超過原有技術100~500微米的解析度。

研究人員展示用膠原蛋白列印出來的人工心臟瓣膜，瓣膜可以打開和關閉 | 視頻來源：參考資料[1]

研究人員還設計了一個使用兩種生物墨水列印的左心室模型，由膠原蛋白列印出內壁和外壁，中間是人類胚胎幹細胞來源的心肌細胞。正如他們的預期，在列印並培養4周後，這一3D人造組織不僅保持了完整的結構，並且產生了人類心臟應有的自發搏動功能！

用膠原蛋白和細胞兩種生物墨水列印出人工心室 | 參考資料[1]

自發搏動的人工心室 | 視頻來源：參考資料[1]

Feinberg教授總結說：「我們的研究結果表明，我們能用細胞和膠原蛋白列印出心臟的零件，把它們做成真正具有功能的部件，比如心臟瓣膜或跳動的心室。」

藉助計算機斷層掃描數據，研究人員用膠原蛋白列印出的人工心臟精確地複製了具有患者個體特點的解剖結構 | 視頻來源：參考資料[1]

有了這樣一種技術，不僅可以用膠原蛋白列印大尺寸的人體器官，研究人員認為，像纖維蛋白、透明質酸、藻酸鹽等各種軟性生物材料，都可以作為生物墨水用於3D列印。「FRESH技術為組織工程提供了一個適應性強大的平台。」研究人員介紹。

為了讓更多人可以使用這種3D列印技術，研究人員還將硬體平台的設計「開源」，免費分享。他們希望，不光是實驗室的科研人員，甚至中學科技小組的學生們，也可以構建並獲得低成本、高性能的3D生物印表機。

當然，研究者也提到，要列印符合成人尺寸的人造器官還有諸多挑戰，比如大型組織需要數十億的細胞。但是無疑，我們正在見證奇蹟的實現過程。這項FRESH技術與開頭提到的迷你人工肺列印技術，「正在讓按需列印器官更接近現實」。

參考文獻：

[1].A. Lee et al., (2019) 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science. DOI: 10.1126/science.aav9051

[2].Queeny Dasgupta1 and Lauren D. Black III (2019) A FRESH SLATE for 3D bioprinting. Science. DOI: 10.1126/science.aay0478

[3].3D printing the human heart. Retrieved Aug. 4, 2019, from https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2019/08/01-feinberg-science-paper.html

本文經授權轉載自學術經緯（ID：Global_Academia），如需二次轉載請聯繫原作者

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