南極熊專題：3D打印心臟離植入人體越來越近了

3D打印心臟可謂是萬眾矚目的熱門話題，因為這與每個人都息息相關(guān)，南極熊也時刻關(guān)注著這項技術(shù)的最新進展。近幾年，雖然3D打印的心臟還未實現(xiàn)移植到人體內(nèi)，但也取得了不錯的進展，本文南極熊將會帶您去了解3D打印心臟的最新前沿。

2019年8月1日，外媒報道，賓夕法尼亞州卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）的科學(xué)家們利用3D生物打印機，成功地用膠原蛋白制造出可正常工作的心臟組織。他們說，這項突破性技術(shù)有朝一日可以制造出完整的器官。

△采用膠原蛋白和FRESH技術(shù)3D打印的心臟瓣膜

他們將這項研究成果發(fā)表在“科學(xué)”雜志上，其中最重要的是他們開發(fā)了一種新的懸浮水凝膠自由可逆嵌入（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels，F(xiàn)RESH）技術(shù)，可以3D打印膠原蛋白，用于小血管，瓣膜和心室搏動。

科學(xué)家們提出了一種3D生物打印膠原蛋白的方法，使用懸浮水凝膠（FRESH）的自由形式可逆嵌入來設(shè)計從毛細血管到整個器官的各種尺度的人類心臟組件。控制pH驅(qū)動的凝膠化可以實現(xiàn)20微米的分辨率，多孔微結(jié)構(gòu)能夠快速細胞浸潤和微血管化，以及制造和灌注多尺度脈管系統(tǒng)和三葉瓣膜。他們發(fā)現(xiàn)FRESH 3D生物打印的心臟準確地再現(xiàn)了由微型計算機斷層掃描確定的患者特異性解剖結(jié)構(gòu)。

據(jù)悉，他們采用的這種方法，以迄今所能達到的最高精度，使用人體內(nèi)最豐富的蛋白，復(fù)制出了復(fù)雜的人體生物支架。隨后，這些結(jié)構(gòu)可以嵌入活體細胞和毛細血管，其精細度可達20微米，遠遠高于大多數(shù)用于制造塑料結(jié)構(gòu)的3D打印機。

論文作者之一、美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授亞當·范伯格對法新社記者說：“我們已經(jīng)證明，我們可以用膠原蛋白打印出心臟瓣膜。”

范伯格說：“雖然我們還沒有把它置入動物體內(nèi)，但我們建造了一個模擬人體壓力和流速的測試臺，并且我們證明，它被放入后能正常工作。”

報道稱，該研究小組使用磁共振成像技術(shù)對人類心臟進行掃描，來復(fù)制患者的特定心臟部位，他們已取得了心跳同步和瓣膜開閉等成果。

△使用FRESH v2.0版技術(shù)進行膠原蛋白的高分辨率3D生物打印

△可灌注膠原血管和微孔膠原支架的FRESH 3D生物打印，促進體內(nèi)微血管化。

從長遠來看，這項技術(shù)將來有可能被用于打印心臟或其他器官。美國有4000人正在等待心臟移植，而且全世界還有數(shù)百萬人需要進行心臟移植。

報道認為，實現(xiàn)這一目標面臨的挑戰(zhàn)包括，生成生物打印大型組織所需的數(shù)十億個細胞，達到制造規(guī)模并遵守監(jiān)管程序，以便在動物以及最終在人類身上進行試驗。

△收縮性FRESH 3D生物打印的人心室模型

在動物試驗中，研究團隊將3D打印對象植入小鼠皮下，結(jié)果顯示其能夠生成完整的血管網(wǎng)。

研究團隊還通過這一技術(shù)打印出了具有收縮能力的左心室和能夠承載生理壓力的三尖瓣，這表明膠原結(jié)構(gòu)在人體中的機械完整性。他們通過灌注，驗證了血管網(wǎng)的暢通性。最后研究團隊打印出新生兒比例的人體心臟膠原模型，由此證明 FRESH打印技術(shù)實現(xiàn)“大型”結(jié)構(gòu)能力。

△三葉心臟瓣膜，多尺度脈管系統(tǒng)和新生兒人體心臟的器官尺度FRESH 3D生物打印

論文：膠原蛋白3D打印活動心臟.pdf (1.77 MB, 下載次數(shù): 165)

2019-8-8 14:32 上傳

點擊文件名下載附件

3D打印心臟的進展

在此之前，南極熊也曾報道過多個3D打印心臟方面的進展，2019年4月16日，以色列科學(xué)家有史以來第一次創(chuàng)造了一種血管化的人類心臟——使用3D打印機將患者的人體組織結(jié)合起來。

特拉維夫大學(xué)的一個研究小組揭示了3D打印的心臟，它完全符合人類患者的免疫、細胞、生化和解剖學(xué)特性。研究的首席作者、特拉維夫大學(xué)分子細胞生物學(xué)和生物技術(shù)學(xué)院的Tal Dvir教授稱：“這是世界上首次有人成功通過工程學(xué)設(shè)計，打造出具有細胞、血管、心室的完整心臟。

央視財經(jīng)頻道也報道了“3D打印心臟技術(shù)獲突破：細胞和血管一應(yīng)俱全”

3D打印活體心臟過程：
從患者的脂肪組織中分離出細胞和α-細胞材料；
脂肪細胞被轉(zhuǎn)化為胚胎干細胞；
胚胎干細胞分化為心臟或內(nèi)皮細胞等細胞類型；
使用膠原蛋白和糖蛋白等材料，制作水凝膠，3D打印出可降解的生物支架或骨架上，這個支架像心臟的形狀；
把分化好的細胞，培養(yǎng)進入支架相應(yīng)的部位，變成一個生物心臟；
3D打印過程大約需要3-4個小時。


在研究中，科學(xué)家們從患者身上采集了脂肪組織，并且將其中的細胞和非細胞物質(zhì)分離開來。分離出的細胞隨后與特制的打印材料混合到一起打印出適合患者的心臟組織。Dvir博士稱：“這種心臟是由人類細胞和為患者特制的生物學(xué)材料打造而成的。在打印過程中，這些生物學(xué)材料充當?shù)氖且环N生物墨水，這些由糖和蛋白質(zhì)構(gòu)成的材料能夠用于3D打印復(fù)雜的組織模型。”

△TAU的生物3D打印工藝和使用該技術(shù)制造的其他樣品結(jié)構(gòu)

△3D打印的微型心臟模型結(jié)構(gòu)

TAU生產(chǎn)的3D打印心臟大小適合兔子。它需要在生物反應(yīng)器中經(jīng)歷成熟過程以保持細胞存活并使其生長以適應(yīng)真人大小的心臟。成熟過程需要大約一個月，之后他們將它們移植到動物如兔子和大鼠中進行測試。他們希望這將在一兩年內(nèi)實現(xiàn)。 Dvir說，希望在“10年內(nèi)，世界上最好的醫(yī)院將有器官打印機，這些程序?qū)⒍ㄆ谶M行。”


2017年7月14日，蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的功能材料實驗室研究人員，已經(jīng)使用3D打印來創(chuàng)建一個幾乎像真實心臟一樣跳動的硅膠心臟。這個人造心臟持續(xù)了約3,000次搏動，大概30至45分鐘。

2018年6月28日，生物3D打印和組織工程公司BIOLIFE4D，司宣布已成功展示其3D打印的人體心臟組織，而且該公司表示已經(jīng)具備3D打印人類心臟貼片的能力，該公司下一步將會朝著3D打印人類心臟繼續(xù)進發(fā)。

BIOLIFE4D的3D生物打印首先要采集患者的血液樣本。因為人體內(nèi)的每個細胞都有相同數(shù)量的基因和相同的DNA，每個細胞都有可能轉(zhuǎn)化為基本上任何其他細胞。
第二步，將樣品中的血細胞轉(zhuǎn)化為非特化成體誘導(dǎo)的多能干細胞（iPS）。

通過分化，iPS細胞轉(zhuǎn)化為人體中幾乎任何類型的特化細胞，本案例中是心肌細胞（心臟細胞）。 然后將這些細胞與液體環(huán)境（水凝膠）中的營養(yǎng)素和其他必需因素結(jié)合起來，以保持細胞在整個過程中存活。

然后將這種生物墨水裝入生物3D打印機進行打印，這是一種高度專業(yè)化的3D打印機，可以保護打印過程中的細胞活性。

BIOLIFE4D的生物3D打印過程提供了將患者自身血細胞重新編程為iPS細胞的能力，然后將這些iPS細胞分化成不同類型的心臟細胞，這些心臟細胞不僅可以用于心臟貼片，而且最終有可能成為用于移植的人類心臟。

這種能力至關(guān)重要，因為BIOLIFE4D試圖治療心臟病和其他心臟損傷，特別是通過消除對供體器官的需求來改善移植過程。

BIOLIFE4D首席執(zhí)行官史蒂文莫里斯表示：“從一開始我們的使命就是利用我們的技術(shù)拯救生命。 今天，我們相信我們離最終實現(xiàn)這一目標更近了一步。“

專業(yè)人士可閱讀《科學(xué)》原文：https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482


參考來源：
《science》、3dprintingindustry、參考消息、3D科學(xué)谷