2019年4月，科学家利用病人的生物材料，打印出世界上第一个包含血管的3D工程心 脏。经过了4年，现在，研究人员创造了一种新型水凝胶墨水，可以实现功能性心室的3D打印。3D打印在医学研究领域中又迈出一大步。

科学家打印出首个3D心 脏

2019年，4月15日《高等科学》杂志上发表了一项重大医学突破，以色列特拉维夫大学（TAU）的研究人员利用病人自身的细胞和生物材料“打印”出了世界上第一个包含血管的3D工程心 脏。

心 脏病是人类死亡的主要原因。心 脏移植是目前唯一可用于终末期心力衰竭患者的治疗方法。鉴于心 脏供体严重短缺，迫切需要开发新的方法来再生患病的心脏。“这是第一次有人成功设计并打印出充满了细胞、血管，包含心室腔的整个心 脏。”这项研究的领导者、TAU萨格尔再生生物技术中心的教授Tal Dvir说。“这颗心 脏是由人类细胞和病人特有的生物材料制成的。”

Dvir教授说。“过去，人们已经成功地3D打印出了心 脏的结构，但它没有细胞或血管。我们的研究结果显示了新方法在未来工程个性化组织和器 官替换方面的潜力。目前，我们3D打印的心 脏很小，只有兔子的心 脏那么大。但更大的人类心 脏需要同样的技术。”

在这项研究中，研究人员对病人的脂肪组织进行了活检，然后分离组织的细胞和生物材料。当细胞被重编程成为多能性干细胞时，细胞外基质（ECM，由细胞外大分子组成的三维网络，如胶原蛋白和糖蛋白）则被加工成个性化的水凝胶，作为打印“墨水”。在与水凝胶混合后，这些多能性干细胞被高效地分化为心

脏或内皮细胞，以创建患者特异性的、免疫兼容的心 脏血管贴剂，随后，创建整个心 脏。

定制纤维复合凝胶墨水，3D 打印出仿生心 脏模型

在哈佛大学 John A. Paulson 工程与应用科学学院(SEAS)领导的一项具有里程碑意义的研究中，研究人员开发了一种新方法来 3D 打印模仿人类心

脏跳动的生物结构。得益于将水凝胶与预制明胶纤维相结合的纤维注入凝胶 (FIG) 墨水，他们可以精确打印心室的 3D 模型，而无需额外的支撑材料。

这项研究的详细信息以题为“Fibre-infused gel

scaffoldsguide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles”的论文被发表在《自然材料》上，由Suji Choi, Keel Yong Lee等人联合撰写。

创新——凝胶墨水中加入纤维

创新之处在于在可3D打印墨水或纤维注入凝胶（FIG）墨水中添加了纤维。

“FIG 墨水能够流过打印喷嘴，但一旦结构被打印出来，它就会保持其 3D 形状，”SEAS 研究员、该论文的第一作者 Suji Choi 说。“由于这些特性，我发现可以打印类似心室的结构和其他复杂的3D形状，而无需使用额外的支撑材料或支架。”

为了制造FIG墨水，Choi利用了旋转喷射纺丝技术，该技术使用类似于棉花糖纺丝的方法来制造超细纤维材料。通过这项技术，Choi 和她的团队生产出了一种外观与棉花相似的材料。接下来，她使用超声波将薄片破碎成长

80 至 100 微米、直径 5 至 10 微米的纤维。然后，她将这些纤维分散到水凝胶墨水中。

当研究人员使用 Fig 墨水打印2D和3D结构时，心肌细胞与墨水内纤维的方向串联排列。通过控制打印方向，崔还可以控制心肌细胞的排列方式。当她对由无花果墨水制成的3D打印结构施加电刺激时，她发现它触发了与这些纤维方向一致的协调收缩波。

随着 Choi 和团队尝试更多的3D打印方向和墨水配方，他们发现它们可以在类似心室的形状内产生更强烈的收缩。

“与真实的心 脏相比，我们的心室模型被简化和小型化，”Choi 说。

该团队目前正致力于构建更逼真的心 脏组织，其肌肉壁更厚，可以更强有力地泵送液体。尽管不如真正的心 脏组织那么坚固，但3D打印的心室可以泵送比以前的3D打印心室多 5 至 20 倍的液体量。

研究人员表示，该技术还可用于构建心 脏瓣膜、双腔微型心 脏等。

该论文的资深作者、塔尔家族生物工程和应用物理学教授、SEAS 疾病生物物理学小组负责人凯文·“基特”·帕克 (Kevin“Kit” Parker) 说道：“我们启动这个项目是为了解决生物组织 3D 打印的一些不足之处。当 Luke 提出这个概念时，他的愿景是通过将打印精度降低至纳米尺度，扩大 3D 打印机可打印的空间尺度范围。通过旋转喷射纺丝而不是静电纺丝生产纤维的优点是，我们可以使用会被静电纺丝电场降解的蛋白质材料。”

有局限性更有无限潜力

尽管团队承认原型的局限性，但他们看到了巨大的潜力。事实上，人们已经在努力设计更逼真的心 脏组织，并且人们对使用这种方法构建更复杂的心 脏结构（如心 脏瓣膜和双腔迷你心 脏）持乐观态度。此外，帕克还强调了该团队致力于开发用于再生疗法的人体组织。

近年来，生物工程领域还涌现了许多其他值得关注的努力。例如，特拉维夫大学的研究人员在2019 年利用患者细胞3D 打印心 脏贴片，实现了包含血管和心室的复杂结构，从而引起了轰动。同样，明尼苏达大学2017 年的一项举措依靠定制 3D 打印机制作栩栩如生的人造心 脏模型，展示现在可以复制的复杂解剖细节。然而，哈佛大学研究人员描述的新方法是独一无二的。该项目得到了众多受人尊敬的机构的大力支持，包括美国国家科学基金会(NSF) 和美国国立卫生研究院(NIH) 的哈佛海洋工程学院(Harvard SEAS) 认为生物工程的未来一片光明。

文章来源： 南极熊3D打印网，科技工作者，未知大陆