卡耐基梅隆大學(xué)的一組研究人員在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)介紹了一種新技術(shù)，任何人都可以用膠原蛋白(人體的主要結(jié)構(gòu)蛋白)對(duì)組織支架進(jìn)行3D生物打印。這是一種史無前例的方法，它標(biāo)志著組織工程領(lǐng)域向3D打印完整的成人心臟又邁進(jìn)了一步。

這項(xiàng)技術(shù)被稱為懸浮水凝膠自由形式可逆嵌入(FRESH)，它使研究人員克服了與現(xiàn)有3D生物打印方法相關(guān)的許多挑戰(zhàn)，并利用軟質(zhì)和生物材料實(shí)現(xiàn)了前所未有的分辨率和保真度。

人體的每一個(gè)器官，比如心臟，都是由特殊細(xì)胞通過一種叫做細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的生物支架連接在一起構(gòu)成的。這種ECM蛋白網(wǎng)絡(luò)提供細(xì)胞正常功能所需的結(jié)構(gòu)和生化信號(hào)。然而，到目前為止，使用傳統(tǒng)的生物制造方法還不可能重建這個(gè)復(fù)雜的ECM架構(gòu)。

“我們已經(jīng)證明我們可以打印心臟的細(xì)胞和膠原蛋白部分,具有真正的功能,如心臟瓣膜或一個(gè)小心室跳動(dòng)。”卡內(nèi)基梅隆大學(xué)材料科學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授(BME)亞當(dāng)?范伯格說，“通過使用人類心臟的MRI數(shù)據(jù)，我們能夠準(zhǔn)確地重現(xiàn)患者特定的解剖結(jié)構(gòu)、3D生物膠原蛋白和人類心臟細(xì)胞?！?

美國(guó)有4000多名患者正在等待心臟移植，而世界上還有數(shù)百萬人需要心臟，但卻沒有進(jìn)入等待名單。對(duì)替代器官的需求是巨大的，需要新的方法來設(shè)計(jì)能夠修復(fù)、補(bǔ)充或替代長(zhǎng)期器官功能的人造器官。范伯格是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物工程器官計(jì)劃的成員之一，他正在努力用新一代生物工程器官來解決這些挑戰(zhàn)。

“膠原蛋白是一種非常理想的3D打印生物材料，因?yàn)樗鼛缀鯓?gòu)成了你身體的每一個(gè)組織。”安德魯·哈德森解釋說，他是范伯格實(shí)驗(yàn)室的BME博士生，也是這篇論文的第一作者之一?！叭欢?D打印之所以如此困難，是因?yàn)樗婚_始是液態(tài)的——所以如果你想在空中打印它，它只會(huì)在你的構(gòu)建平臺(tái)上形成一個(gè)水坑。所以我們開發(fā)了一種技術(shù)來防止它變形。”

研究人員開發(fā)了FRESH技術(shù)來防止其變形。FRESH可以讓膠原蛋白在凝膠支撐槽中逐層疊加，然后通過從室溫到體溫的加熱，把支撐槽融化，從而得到一個(gè)完好的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的精細(xì)度可達(dá)20微米，可嵌入活體細(xì)胞和毛細(xì)血管。借助這一方法，可設(shè)計(jì)打印從毛細(xì)血管到整個(gè)器官的各種尺度的人類心臟組件。

不僅限于膠原蛋白，纖維蛋白、藻酸鹽、透明質(zhì)酸等多種軟性凝膠均可采用FRESH技術(shù)進(jìn)行3D生物打印，為組織工程提供了一個(gè)強(qiáng)大、適應(yīng)性強(qiáng)的平臺(tái)。重要的是，研究人員還開發(fā)了開源設(shè)計(jì)，這樣幾乎任何人，從醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室到高中科學(xué)班，都可以構(gòu)建并獲得低成本、高性能的3D生物打印機(jī)。

當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還面臨諸多挑戰(zhàn)，包括：生成生物打印大型組織所需的數(shù)十億個(gè)細(xì)胞;遵守監(jiān)管程序，以便在動(dòng)物以及最終在人身上進(jìn)行試驗(yàn)。