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尖端科技:人造器官再现奇迹,打印出一颗会跳动的心

发布时间:2019-08-07 浏览:160


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美国卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的研究人员开发出一种创新的3D生物打印技术,以胶原蛋白为材料,制造出具有更高分辨率、图案可以更复杂的人体器官组织支架。“这种史无前例的方法,使组织工程学领域向3D打印全尺寸成人心脏又迈进了一步。”

就在不久前,编辑介绍了3D打印器官的一项重磅突破:科学家们造出了包含血管和气道、会“呼吸”的迷你人工肺。该研究登上了顶尖学术期刊《科学》的封面。

生物工程学家们再次突破生物材料的技术障碍,带来一项“激动人心”的新成果。

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尖端科技:人造器官再现奇迹,打印出一颗会跳动的心

▲生物打印技术模拟肺组织和复制人类心脏结构,让复杂的“人造器官”正在变成现实(图片来源:参考资料[2])

胶原蛋白是一种十分理想的生物材料。因为这类蛋白质本身就是人体主要的结构蛋白,是细胞外基质的主要成分。它们有足够的机械强度,为细胞和组织成分提供结构空间。Andrew Hudson博士是这项研究的共同一作,用他的话说,“人体几乎每个组织都由胶原蛋白构成”。

尽管如此,要用天然的胶原蛋白做3D打印的生物墨水,还有难题需要解决。“它是液态的,假如你想在空气中把它打印出来,那么你只会在制作平台上得到一滩水。”Hudson博士解释。

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▲该研究的负责人Adam Feinberg教授(图片来源:卡耐基梅隆大学)

如何让胶原蛋白保持完整的组织形状,还要达到高分辨率和高保真度?为此,Adam Feinberg教授领衔的研究团队开发了一种新技术,他们将其命名为“新鲜”(FRESH),全称是“悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入”(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels)技术。

这种3D打印技术以明胶作为支撑床,特定浓度的胶原蛋白从灵活的打印喷嘴中挤出后,可以在支撑胶中逐层沉积和凝固。等到打印完成,研究人员把温度从室温调整到体温,就可以让支撑用的明胶融化,同时让打印出来的胶原蛋白结构、嵌入胶原蛋白中的细胞保持完好。

利用FRESH技术,他们用细胞和胶原蛋白成功打印出不同尺寸的心脏零件:小到毛细血管,大到与新生儿心脏相当的人类心脏模型,包括血管系统、腔室之间的瓣膜等结构。而且,分辨率最高达到20微米,大大超过原有技术100~500微米的分辨率。

研究人员还设计了一个使用两种生物墨水打印的左心室模型,由胶原蛋白打印出内壁和外壁,中间是人类胚胎干细胞来源的心肌细胞。正如他们的预期,在打印并培养4周后,这一3D人造组织不仅保持了完整的结构,并且产生了人类心脏应有的自发搏动功能!

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▲用胶原蛋白和细胞两种生物墨水打印出人工心室(图片来源:参考资料[1])

Feinberg教授总结说:“我们的研究结果表明,我们能用细胞和胶原蛋白打印出心脏的零件,把它们做成真正具有功能的部件,比如心脏瓣膜或跳动的心室。”

有了这样一种技术,不仅可以用胶原蛋白打印大尺寸的人体器官,研究人员认为,像纤维蛋白、透明质酸、藻酸盐等各种软性生物材料,都可以作为生物墨水用于3D打印。“FRESH技术为组织工程提供了一个适应性强大的平台。”研究人员介绍。

为了让更多人可以使用这种3D打印技术,研究人员还将硬件平台的设计“开源”,免费分享。他们希望,不光是实验室的科研人员,甚至中学科技小组的学生们,也可以构建并获得低成本、高性能的3D生物打印机。

当然,研究者也提到,要打印符合成人尺寸的人造器官还有诸多挑战,比如大型组织需要数十亿的细胞。但是无疑,我们正在见证奇迹的实现过程。这项FRESH技术与开头提到的迷你人工肺打印技术,“正在让按需打印器官更接近现实”。

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