打印一颗心!人造器官再现奇迹

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学术经纬

不久前,学术经纬团队和读者介绍了3D打印机构的重大突破:科学家创造了包含血管和气道“呼吸”的迷你人工肺。该研究发表在顶级学术期刊《科学》的封面上。

在最新一期《科学》中,生物工程师再次突破了生物材料的技术障碍,带来了“令人兴奋的”新结果。

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卡内基梅隆大学的科学家们开发出一种创新的3D生物打印技术,该技术使用胶原蛋白作为材料来创建具有更高分辨率和更复杂图案的组织器官支架。 “这种前所未有的方法将组织工程领域推向了全尺寸成人心脏3D打印的下一步。”

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胶原蛋白是一种理想的生物材料。因为这种蛋白质本身是人体的主要结构蛋白质,它是细胞外基质的主要成分。它们具有足够的机械强度,为细胞和组织成分提供结构空间。 Andrew Hudson博士是这项研究的联合工作。用他的话说,“人体几乎每一块组织都是由胶原蛋白组成的。”

尽管如此,用于3D打印的生物墨水的天然胶原仍然存在问题。 “它是液体。如果你想在空中打印出来,你只能在生产平台上获得一池水,”Hudson博士解释说。

ff51-iatixpm2648868.jpg▲研究负责人Adam 卡内基梅隆大学)

如何保持胶原蛋白在组织形状中完整,还能实现高分辨率和高保真度?为此,由Adam Feinberg教授领导的研究小组开发了一种新技术,他们将其命名为“新鲜”(FRESH),全称为“Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels”技术。

这种3D打印技术使用明胶作为支撑床。在从柔性印刷喷嘴挤出一定浓度的胶原蛋白后,可以在支撑胶中逐层沉积和固化。当印刷完成时,研究人员可以将温度从室温调节到体温,以熔化明胶作为支持物,同时保持印刷的胶原蛋白结构和嵌入胶原蛋白中的细胞完整。

使用FRESH技术,他们成功地用细胞和胶原蛋白印刷了不同大小的心脏部位:从小到毛细血管到人类心脏模型,与新生儿心脏相当,包括血管系统和腔室之间的阀门等结构。此外,分辨率高达20微米,大大超过原始技术的100至500微米的分辨率。

研究人员还设计了一种左心室模型,该模型使用两种生物油墨印刷,内壁和外壁印有胶原蛋白,其间夹有人胚胎干细胞来源的心肌细胞。正如他们所料,经过3周的印刷和培养,这种3D人造组织不仅保持了完整的结构,而且还产生了人类心脏应该具有的自发脉动功能!

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Feinberg教授总结道:“我们的研究结果表明,我们可以利用细胞和胶原蛋白打印出心脏部位,使其成为真正的功能部位,如心脏瓣膜或心室搏动。”

利用这种技术,不仅可以用胶原蛋白印刷大尺寸的人体器官,而且研究人员相信各种软生物材料如纤维蛋白,透明质酸和藻酸盐可以用作3D的生物墨水。打印。 “FRESH技术为组织工程提供了一个适应性强的平台,”研究人员说。

为了让更多人使用这种3D打印技术,研究人员还“开源”了硬件平台的设计,免费分享。他们希望不仅实验室研究人员,甚至中学技术团队的学生都可以建立和获得低成本,高性能的3D生物打印机。

当然,研究人员还提到印刷满足成人尺寸的人造器官存在许多挑战,例如需要数十亿个细胞的大型组织。但毫无疑问,我们正在目睹奇迹的实现。这种FRESH技术与最初提到的迷你人工肺印刷技术相结合,“使按需印刷的器官更接近现实。”

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