▎學(xué)術(shù)經(jīng)緯/報(bào)道

就在不久前，學(xué)術(shù)經(jīng)緯團(tuán)隊(duì)和讀者朋友們介紹了3D打印器官的一項(xiàng)重磅突破：科學(xué)家們造出了包含血管和氣道、會(huì)“呼吸”的迷你人工肺。該研究登上了頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》的封面。

而在最新一期《科學(xué)》上，生物工程學(xué)家們再次突破生物材料的技術(shù)障礙，帶來一項(xiàng)“激動(dòng)人心”的新成果。

▲生物打印技術(shù)模擬肺組織和復(fù)制人類心臟結(jié)構(gòu)，讓復(fù)雜的“人造器官”正在變成現(xiàn)實(shí)（圖片來源：參考資料[2]）

美國卡耐基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的科學(xué)家們開發(fā)出一種創(chuàng)新的3D生物打印技術(shù)，以膠原蛋白為材料，制造出具有更高分辨率、圖案可以更復(fù)雜的人體器官組織支架?！斑@種史無前例的方法，使組織工程學(xué)領(lǐng)域向3D打印全尺寸成人心臟又邁進(jìn)了一步?！毖芯繖C(jī)構(gòu)的新聞介紹。

膠原蛋白是一種十分理想的生物材料。因?yàn)檫@類蛋白質(zhì)本身就是人體主要的結(jié)構(gòu)蛋白，是細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分。它們有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，為細(xì)胞和組織成分提供結(jié)構(gòu)空間。Andrew Hudson博士是這項(xiàng)研究的共同一作，用他的話說，“人體幾乎每個(gè)組織都由膠原蛋白構(gòu)成”。

盡管如此，要用天然的膠原蛋白做3D打印的生物墨水，還有難題需要解決?！八且簯B(tài)的，假如你想在空氣中把它打印出來，那么你只會(huì)在制作平臺(tái)上得到一灘水。”Hudson博士解釋。

▲該研究的負(fù)責(zé)人Adam Feinberg教授（圖片來源：卡耐基梅隆大學(xué)）

如何讓膠原蛋白保持完整的組織形狀，還要達(dá)到高分辨率和高保真度？為此，Adam Feinberg教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新技術(shù)，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(shù)。

這種3D打印技術(shù)以明膠作為支撐床，特定濃度的膠原蛋白從靈活的打印噴嘴中擠出后，可以在支撐膠中逐層沉積和凝固。等到打印完成，研究人員把溫度從室溫調(diào)整到體溫，就可以讓支撐用的明膠融化，同時(shí)讓打印出來的膠原蛋白結(jié)構(gòu)、嵌入膠原蛋白中的細(xì)胞保持完好。

利用FRESH技術(shù)，他們用細(xì)胞和膠原蛋白成功打印出不同尺寸的心臟零件：小到毛細(xì)血管，大到與新生兒心臟相當(dāng)?shù)娜祟愋呐K模型，包括血管系統(tǒng)、腔室之間的瓣膜等結(jié)構(gòu)。而且，分辨率最高達(dá)到20微米，大大超過原有技術(shù)100~500微米的分辨率。

研究人員還設(shè)計(jì)了一個(gè)使用兩種生物墨水打印的左心室模型，由膠原蛋白打印出內(nèi)壁和外壁，中間是人類胚胎干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞。正如他們的預(yù)期，在打印并培養(yǎng)4周后，這一3D人造組織不僅保持了完整的結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)生了人類心臟應(yīng)有的自發(fā)搏動(dòng)功能！