卡耐基梅隆大學的一組研究人員在《科學》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細介紹了一種新技術，任何人都可以用膠原蛋白(人體的主要結構蛋白)對組織
卡耐基梅隆大學的一組研究人員在《科學》雜志上發(fā)表了一篇論文，詳細介紹了一種新技術，任何人都可以用膠原蛋白(人體的主要結構蛋白)對組織支架進行3D生物打印。這是一種史無前例的方法，它標志著組織工程領域向3D打印完整的成人心臟又邁進了一步。
這項技術被稱為懸浮水凝膠自由形式可逆嵌入(FRESH)，它使研究人員克服了與現(xiàn)有3D生物打印方法相關的許多挑戰(zhàn)，并利用軟質和生物材料實現(xiàn)了前所未有的分辨率和保真度。
人體的每一個器官，比如心臟，都是由特殊細胞通過一種叫做細胞外基質(ECM)的生物支架連接在一起構成的。這種ECM蛋白網(wǎng)絡提供細胞正常功能所需的結構和生化信號。然而，到目前為止，使用傳統(tǒng)的生物制造方法還不可能重建這個復雜的ECM架構。
“我們已經(jīng)證明我們可以打印心臟的細胞和膠原蛋白部分,具有真正的功能,如心臟瓣膜或一個小心室跳動。”卡內基梅隆大學材料科學生物醫(yī)學工程教授(BME)亞當•范伯格說，“通過使用人類心臟的MRI數(shù)據(jù)，我們能夠準確地重現(xiàn)患者特定的解剖結構、3D生物膠原蛋白和人類心臟細胞。”
美國有4000多名患者正在等待心臟移植，而世界上還有數(shù)百萬人需要心臟，但卻沒有進入等待名單。對替代器官的需求是巨大的，需要新的方法來設計能夠修復、補充或替代長期器官功能的人造器官。范伯格是卡內基梅隆大學生物工程器官計劃的成員之一，他正在努力用新一代生物工程器官來解決這些挑戰(zhàn)。
“膠原蛋白是一種非常理想的3D打印生物材料，因為它幾乎構成了你身體的每一個組織。”安德魯·哈德森解釋說，他是范伯格實驗室的BME博士生，也是這篇論文的第一作者之一。“然而，3D打印之所以如此困難，是因為它一開始是液態(tài)的——所以如果你想在空中打印它，它只會在你的構建平臺上形成一個水坑。所以我們開發(fā)了一種技術來防止它變形。”
研究人員開發(fā)了FRESH技術來防止其變形。FRESH可以讓膠原蛋白在凝膠支撐槽中逐層疊加，然后通過從室溫到體溫的加熱，把支撐槽融化，從而得到一個完好的結構。這些結構的精細度可達20微米，可嵌入活體細胞和毛細血管。借助這一方法，可設計打印從毛細血管到整個器官的各種尺度的人類心臟組件。
不僅限于膠原蛋白，纖維蛋白、藻酸鹽、透明質酸等多種軟性凝膠均可采用FRESH技術進行3D生物打印，為組織工程提供了一個強大、適應性強的平臺。重要的是，研究人員還開發(fā)了開源設計，這樣幾乎任何人，從醫(yī)學實驗室到高中科學班，都可以構建并獲得低成本、高性能的3D生物打印機。
當然，實現(xiàn)這一目標還面臨諸多挑戰(zhàn)，包括：生成生物打印大型組織所需的數(shù)十億個細胞;遵守監(jiān)管程序，以便在動物以及最終在人身上進行試驗。
