3d打印人类心脏

卡内基梅隆大学的一组研究人员发表了一篇论文科学该杂志详细介绍了一项新技术，允许任何人用胶原蛋白(人体的主要结构蛋白)来3d生物打印组织支架。这种史无前例的方法使组织工程领域向3d打印全尺寸成人心脏的目标又迈进了一步。

这项技术被称为自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶(FRESH)，它让研究人员克服了许多与现有3d生物打印方法相关的挑战，并利用柔软和有生命的材料实现了前所未有的分辨率和保真度。

每一个器官人体例如心脏，是由一种叫做细胞外基质(ECM)的生物支架连接在一起的特殊细胞构成的。这个ECM蛋白网络提供了细胞执行其正常功能所需的结构和生化信号。然而，到目前为止，还不可能重建这种复杂的ECM架构使用传统的生物制造方法。

生物医学工程(BME)教授亚当·范伯格(Adam Feinberg)说:“我们已经证明，我们可以将细胞和胶原蛋白打印成真正有功能的部分，比如心脏瓣膜或小的跳动心室。材料科学卡耐基梅隆大学工程学院，他的实验室完成了这项工作。“通过使用人类心脏的核磁共振数据，我们能够精确地复制患者特定的解剖结构和3d生物打印胶原蛋白和人类心脏细胞。”

美国有超过4000名患者正在等待心移植，而世界上还有数百万人需要心脏，但没有资格进入候选者名单。对替代器官的需求是巨大的，需要新的方法来设计能够修复、补充或替代长期器官功能的人造器官。他是卡内基梅隆大学的一名成员生物工程器官倡议该公司正在努力解决这些挑战，通过更接近自然器官结构的新一代生物工程器官。

“胶原蛋白是一种非常理想的生物材料，因为它构成了你身体的每一个组织，”安德鲁·哈德森(Andrew Hudson)解释道，他是范伯格实验室的BME博士生，也是这篇论文的第一作者之一。“然而，3d打印之所以如此困难，是因为它一开始是一种流体，所以如果你试图在空气中打印它，它只会在你的建造平台上形成一个水坑。”所以我们开发了一种技术来防止它变形。”

范伯格实验室开发的FRESH 3d生物打印方法允许胶原蛋白在凝胶支撑浴中逐层沉积，使胶原蛋白有机会在从支撑浴中移除之前固化到位。使用FRESH，打印完成后，通过将凝胶从室温加热到体温，支持凝胶可以很容易地融化掉。通过这种方式，研究人员可以在不破坏胶原蛋白或细胞组成的打印结构的情况下去除支撑凝胶。

这种方法对于3d生物打印领域来说是真正令人兴奋的，因为它允许胶原蛋白支架在人体器官上大规模打印。它并不局限于胶原蛋白使用FRESH技术，许多其他软凝胶(包括纤维蛋白、藻酸盐和透明质酸)都可以进行3d生物打印，提供了一个强大的和适应性强的组织工程平台。重要的是，研究人员还开发了开源设计，这样几乎任何人，从医学实验室到高中科学课，都可以建造和使用低成本、高性能的3d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，但它只是一个不断发展的生物制造领域。“我们真正谈论的是技术的融合，”范伯格说。“不仅仅是我的实验室在生物打印方面所做的，还包括其他实验室和干细胞科学、机器学习、计算机模拟领域的小公司，以及新的3d生物打印硬件和软件。”

“重要的是要知道还有许多年的研究要做，”Feinberg补充说，“但我们在工程功能性人体组织和器官方面取得了真正的进展，这仍然是令人兴奋的，这篇论文是在这条道路上迈出的一步。”

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