全球3D打印心臟都到什么程度了,？

Lucas Carolo

3D生物打印的器官,，尤其是心臟,，正逐漸成為現(xiàn)實(shí),。南極熊帶你一起了解2020年最有前途的3D打印心臟項(xiàng)目,。

生物3D打印是將細(xì)胞、化合物和生物材料結(jié)合在一起,，使用增材制造技術(shù)制造生物工程組織和結(jié)構(gòu),。與傳統(tǒng)的FDM 3D打印不同，生物打印使用稱為bioink生物墨水的東西（有機(jī)和無機(jī)材料的混合物）來制作模型,。

可以想象,，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)醫(yī)療行業(yè)非常重要。它的主要用途是挽救數(shù)百萬需要替換器官或移植的患者的生命,。每天都大量的人等待更換器官,。

更麻煩的是是，宿主對(duì)器官的可能產(chǎn)生排斥,，需要再次更換,。如果能夠使用患者自己的細(xì)胞進(jìn)行3D打印人造器官，則可以幫助消除移植排斥問題和移植領(lǐng)域的器官缺陷,。

迄今為止,，尚未成功制作或移植完整的3D生物打印心臟。但是,，許多公司和研究小組一直在向功能齊全的3D打印心臟邁進(jìn),。讓我們一起看看一些最有前途的項(xiàng)目（南極熊3D打印網(wǎng)專門開了一個(gè)生物3D打印專欄,，匯總?cè)�球生物打印信息）�?br />

WFIRM：生物工程心臟組織

△WFIRM開發(fā)了30多種不同的組織和器官（來源：維克森林醫(yī)學(xué)院）

WFIRM的主管Anthony Atala博士在3D生物打印領(lǐng)域是一個(gè)了不起的名字。幾年前,，他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)（未進(jìn)行3D打�,。┎�將膀胱移植到了活著的患者中。目��,，該研究所開發(fā)了30多種不同的組織和器官,。

2018年4月,，WFIRM團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇論文,，描述了他們?nèi)绾问褂么笫笮呐K細(xì)胞3D生物打印功能性和收縮性心臟組織。這些細(xì)胞被懸浮在生物墨水中,，并被打印成類似于人類心臟組織的結(jié)構(gòu),。

他們能夠測(cè)試腎上腺素和卡巴膽堿等激素的作用，就像在生物體中一樣,，這會(huì)導(dǎo)致打印的心臟組織中的心率發(fā)生預(yù)期的變化,。


2020年初，WFIRM宣布創(chuàng)建一個(gè)  微型人體 “模型”,，其中包含不同的生物工程人體組織,，這些組織將專門用于藥物測(cè)試。微小的類器官結(jié)構(gòu)大約是成年人大小的百萬分之一,，并且包括微型心臟組織,。

Atala博士說，微型人體實(shí)驗(yàn)室模型的最重要功能是“在開發(fā)的早期就確定一種藥物是否對(duì)人類有毒”,，這對(duì)實(shí)驗(yàn)藥物測(cè)試產(chǎn)生了巨大影響,。

特拉維夫大學(xué)：微型心臟

2019年4月，特拉維夫大學(xué)分子細(xì)胞生物學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,，宣布成功制作3D打印心臟的消息傳遍全球,。

這是第一次使用人細(xì)胞對(duì)完全血管化的3D打印人心臟。盡管它是一個(gè)縮小的模型,，但它是一項(xiàng)巨大的成就,，向功能性人體器官生物打印邁出重要一步。


技術(shù)原理
從實(shí)驗(yàn)者的脂肪組織中提取人類細(xì)胞,，然后將其改造成干細(xì)胞,，然后將細(xì)胞分化為心臟中各種類型的心臟細(xì)胞。這些新的“心臟”細(xì)胞與無機(jī)材料混合,，制成生物墨水,，最終進(jìn)行3D打印。

通過使用患者自己的細(xì)胞,，可以消除任何排斥新生物工程器官,。排斥反應(yīng)是器官移植的一個(gè)主要問題,，不幸的是，許多心臟接受者在手術(shù)后的第一年內(nèi)就出現(xiàn)了癥狀,。

TAU團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)挑戰(zhàn)是使這些分化的細(xì)胞成熟并使其發(fā)揮預(yù)期功能,。領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)的Tal Dvir教授希望，在10年內(nèi),，“世界上最好的醫(yī)院將配備器官3D打印機(jī),，并且可以正常為病人提供服務(wù)�,！�


哈佛劉易斯實(shí)驗(yàn)室：新型生物打印技術(shù)

△去除了3D打印材料,，留下了允許血液流動(dòng)的通道

哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的劉易斯實(shí)驗(yàn)室是生物打印領(lǐng)域的又一重要參與者，最近宣布了一項(xiàng)新技術(shù),，可以實(shí)現(xiàn)3D打印心臟,。該實(shí)驗(yàn)室由詹妮弗·劉易斯（Jennifer A. Lewis）教授領(lǐng)導(dǎo)。

技術(shù)原理
這種新的生物打印技術(shù)稱為SWIFT,，是犧牲性寫入功能組織（sacrificial writing into functional tissue）的首字母縮寫,。它將活細(xì)胞作為基質(zhì)，將血管通道打印到其中,。然后,，通過加熱除去3D打印材料，留下應(yīng)作為血管結(jié)構(gòu)的通道,，讓血液流過,。

常規(guī)3D生物打印技術(shù)可與需要在生物反應(yīng)器中成熟的細(xì)胞一起使用，以“存活”并獲得3D打印器官內(nèi)所需的特定功能,。這些技術(shù)中使用的生物墨水也缺乏人體組織的實(shí)際密度,。SWIFT技術(shù)繞開了這兩個(gè)問題，因?yàn)樗�可以與已經(jīng)以所需密度包裝的活細(xì)胞一起使用,。

該研究小組成功地將3D打印的血管通道打印到了活心臟來源的細(xì)胞中,，從而形成了像活心臟一樣跳動(dòng)的心臟組織。組織保持存活并同步跳動(dòng)7天,，證明3D打印的血管通道可按預(yù)期發(fā)揮功能,。


Biolife4D：微型心臟

總部位于芝加哥的Biolife4D公司，目標(biāo)是使用生物工程和3D打印技術(shù),，制造以移植為目的的人類心臟,。

在2018年，他們成功地展示了人類心臟組織補(bǔ)丁的實(shí)際生物印記,，這意味著組織具有血流并且可以像真正的心臟一樣收縮,。這些心臟組織貼片可用于恢復(fù)急性心力衰竭患者的受損心臟部分。


技術(shù)原理
為了產(chǎn)生這些補(bǔ)丁，通過MRI機(jī)器獲取患者心臟的3D數(shù)字模型,。然后,，使用患者自己的心臟細(xì)胞，結(jié)合營養(yǎng)物質(zhì)和其他生物材料,，創(chuàng)建生物墨水,。最后，組織補(bǔ)丁經(jīng)過3D打印并在生物反應(yīng)器中成熟,，直到可以移植,。

在2019年9月，他們宣布了另一個(gè)重大突破：成功的迷你心形3D打印機(jī),。他們聲稱,，它使用自己的具有人類心臟特性的生物墨水制成，復(fù)制了人類心臟的許多特征,。Biolife4D還改進(jìn)了其生物打印算法,，專門針對(duì)心臟3D打印進(jìn)行了優(yōu)化,。

根據(jù)Biolife4D的說法,，有了這個(gè)新的里程碑，只需“優(yōu)化我們的工藝并擴(kuò)大技術(shù)范圍”即可實(shí)現(xiàn)其最終目標(biāo)：成功移植的全尺寸,、功能性3D打印心臟,。


ETH＆SAT：人工心臟瓣膜

△這些3D打印心臟瓣膜可以替代實(shí)際患者中的滲漏或損壞的瓣膜（來源：Science Business）

盡管未進(jìn)行生物打印，但2017年,，瑞士科技大學(xué)ETH Zurich的一組研究人員發(fā)表了一篇論文,，描述了用有機(jī)硅3D打印的功能性跳動(dòng)心臟。

他們與人類心臟的大小大致相同,，并且具有相同的功能,，它們的工作證明了我們正在迅速地實(shí)現(xiàn)無需移植就可以替代心臟的能力。


技術(shù)原理
就像真正的人類心臟一樣,，這種硅膠打印體具有左右心室以及通過壓縮空氣驅(qū)動(dòng)泵送動(dòng)作的腔室,。主要限制是3D打印的心臟只能持續(xù)大約30分鐘或3,000拍，然后材料會(huì)降解和減弱,。

在2019年,，同一研究小組與南非公司Strait Access Technologies合作開發(fā)了人造3D打印心臟瓣膜，可替代真實(shí)患者中的滲漏或損壞的瓣膜,。這些部件以與身體兼容的材料進(jìn)行3D打印,，并提供與常規(guī)更換閥相同的血流功能。

盡管已經(jīng)存在用于移植的人造心臟瓣膜,，但瑞士研究人員開發(fā)的人造心臟瓣膜的針對(duì)每個(gè)患者量身定制的,。得益于MRI和CT成像，每個(gè)閥門都可以專門設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)完美的配合。