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。南極熊帶你一起了解2020年最有前途的3D打印心臟項目。

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（有機和無機材料的混合物）來制作模型。

可以想象，這項技術(shù)對醫(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目（南極熊3D打印網(wǎng)專門開了一個生物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)域是一個了不起的名字。幾年前，他的團隊進(jìn)行了工程設(shè)計（未進(jìn)行3D打�。┎�將膀胱移植到了活著的患者中。目前，該研究所開發(fā)了30多種不同的組織和器官。

2018年4月，WFIRM團隊發(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  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，微型人體實驗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人類有毒”，這對實驗藥物測試產(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)胞對完全血管化的3D打印人心臟。盡管它是一個縮小的模型，但它是一項巨大的成就，向功能性人體器官生物打印邁出重要一步。


技術(shù)原理
從實驗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團隊的下一個挑戰(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)研究團隊的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，并且可以正常為病人提供服務(wù)�！�


哈佛劉易斯實驗室：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的通道

哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的劉易斯實驗室是生物打印領(lǐng)域的又一重要參與者，最近宣布了一項新技術(shù)，可以實現(xiàn)3D打印心臟。該實驗室由詹妮弗·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際密度。SWIFT技術(shù)繞開了這兩個問題，因為它可以與已經(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的心臟組織。組織保持存活并同步跳動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丁的實際生物印記，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)生這些補丁，通過MRI機器獲取患者心臟的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，他們宣布了另一個重大突破：成功的迷你心形3D打印機。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，專門針對心臟3D打印進(jìn)行了優(yōu)化。

根據(jù)Biolife4D的說法，有了這個新的里程碑，只需“優(yōu)化我們的工藝并擴大技術(shù)范圍”即可實現(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，描述了用有機硅3D打印的功能性跳動心臟。

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)動泵送動作的腔室。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每個患者量身定制的。得益于MRI和CT成像，每個閥門都可以專門設(shè)計以實現(xiàn)完美的配合。