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Science:重磅!三维打印人类心脏不再是遥远的梦

来源:中检健康 编辑:中检健康 时间:2019-08-02
在一项新的研究中,来自美国卡内基梅隆大学的研究人员详细介绍了一种新技术,它允许任何人利用人体中一种称为胶原蛋白的主要结构蛋白对组织支架进行三维生物打印(3-D bioprinting)。这种首创的方法使得组织工程领域更接近于能够三维打印全尺寸的成人心脏。相关研究结果发表在2019年8月2日的Science期刊上,论文标题为“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”。
 

图片来自Carnegie Mellon University College of Engineering。

这种称为悬浮水凝胶自由可逆嵌入(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels, FRESH)的技术允许这些研究人员克服与现有三维生物打印方法相关的许多挑战,并使用柔软的生物材料实现前所未有的分辨率和保真度。

人体中的每个器官,比如心脏,是由称为细胞外基质(ECM)的生物支架保持在一起的特化细胞构建而成的。这种ECM蛋白网络提供了细胞执行它们的正常功能所需的结构和生化信号。然而,在此之前,人们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。

论文通讯作者、卡内基梅隆大学生物医学工程教授、材料科学与工程教授Adam Feinberg说道,“我们所展示的是我们能够利用细胞和胶原蛋白打印出心脏的多个真正发挥作用的部分,比如心脏瓣膜,或较小的能够搏动的心室。通过使用人类心脏的MRI数据,我们能够准确地重建患者特有的解剖结构,并且利用胶原蛋白和人心脏细胞进行三维生物打印。”

美国有超过4000名患者正在等待心脏移植手术,而在除美国之外的全球其他地方,也有数百万患者需要心脏但没有资格进入心脏移植候补名单。对器官更换的需求是巨大的,并且需要新的方法来设计能够修复、补充或替换长期器官功能的人造器官。作为卡内基梅隆大学的生物工程器官倡议(Bioengineered Organs Initiative)的一名成员,Feinberg正在努力通过构建能够更紧密地再现天然器官结构的新一代生物工程器官来解决这些挑战。

论文共同第一作者、Feinberg实验室博士生Andrew Hudson解释道,“胶原蛋白是一种非常理想的三维打印生物材料,这是它几乎构成了人体中的每一种组织。然而,三维打印如此困难的原因在于它在开始时是液态的,容易变形,所以如果你想在空中打印它,它只会在你的构建平台上形成胶泥。所以我们开发了一种技术来防止它变形。”

Feinberg实验室开发的这种FRESH三维生物打印方法允许胶原蛋白在一种由凝胶组成的支撑槽(support bath)中进行逐层地沉积,从而使得胶原蛋白在从这种支撑槽中取出之前有机会在适当位置上固化。通过使用FRESH,在三维生物打印完成后,将支撑凝胶从室温加热到体温,就能够很容易地将这种凝胶融化掉。通过这种方式,这些研究人员能够在不损坏由胶原蛋白或细胞构成的生物打印结构的情形下移除支撑凝胶。

这种方法对于三维生物打印领域来说是非常令人兴奋的,这是因为它允许胶原支架按照人体器官的规模进行生物打印。它不仅限于胶原蛋白,这是因为包括纤维蛋白、藻酸盐和透明质酸在内的各种其他软凝胶都能够利用FRESH技术进行三维生物打印,这就提供了一种强大且适应性强的组织工程平台。重要的是,这些研究人员还开发了开源设计方法,因此几乎任何人,不论是在医学实验室参加科研工作,还是在学习高中科学课程,都能够构建并获得低成本的高性能的三维生物打印机。

展望未来,FRESH在再生医学的许多方面都有应用,从伤口修复到器官生物工程,但是它仅是一个不断发展的生物制造领域的一部分。Feinberg说道,“我们真正所谈论的是技术的融合。不仅是我的实验室在从事生物打印研究,而且干细胞科学、机器学习和计算机模拟领域的其他实验室和小公司也在从事这方面的研究,此外,很多人在开发新的三维生物打印硬件和软件。”

Feinberg补充道,“重要的是要明白还有许多年的研究尚未完成,但是我们仍然应当感到非常兴奋,这是因为我们在构建功能性人体组织和器官方向取得实际进展,而这篇论文就是沿着这条道路迈出的一步。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:
1. A. Lee el al. 3D printing of collagen to rebuild components of the human heart. Science, 2019, doi:10.1126/science.aav9051.

2. Q. Dasgupta el al. A FRESH SLATE for 3D bioprinting. Science, 2019, doi:10.1126/science.aay0478.

3.3-D printing the human heart
https://medicalxpress.com/news/2019-08-d-human-heart.html
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