8月2日，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Adam Feinberg領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）刊發(fā)的一項(xiàng)研究中宣布，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出FRESH2.0打印系統(tǒng)，并且通過(guò)該技術(shù)成功地獲得具有收縮能力的左心室。

“這是生物3D打印技術(shù)對(duì)再生醫(yī)學(xué)和器官再造科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重大貢獻(xiàn)?！鼻迦A大學(xué)機(jī)械工程系教授孫偉對(duì)《知識(shí)分子》表示，構(gòu)建內(nèi)含血管通道的功能性心肌組織，一直是心肌組織工程的難點(diǎn)。這次創(chuàng)新證明3D打印可以構(gòu)建具有微通道的心肌組織，通過(guò)皮下培養(yǎng)形成血管內(nèi)通道，在外界刺激下實(shí)現(xiàn)功能收縮。

“3D打印”最初是通過(guò)粘合劑材料作為“墨水”逐層堆積獲得三維物體，近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展和“墨水”種類(lèi)的豐富，3D打印技術(shù)被應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域：小到服裝玩具，大到汽車(chē)和航空航天材料。利用細(xì)胞、生長(zhǎng)因子等生物活性材料作為“墨水”在水凝膠中打印的“3D生物打印”在研發(fā)藥物、制造器官中開(kāi)始嶄露頭角，已有實(shí)驗(yàn)成功運(yùn)用3D生物打印軟骨組織修復(fù)膝關(guān)節(jié)軟骨缺陷。但是目前為止仍然無(wú)法通過(guò)3D打印技術(shù)構(gòu)建具有功能的整個(gè)器官。

2019年4月，特拉維夫大學(xué)（TAU）的Tal Dvir團(tuán)隊(duì)利用由患者組織處理獲得的心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，在加入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的水凝膠中制造出了櫻桃大小的全球首例3D打印出完整結(jié)構(gòu)的心臟。不過(guò)，孫偉評(píng)論稱(chēng)，該心臟“貌似不等于神似”，并不具備心臟的生理功能。

在最新的這一研究中，Adam Feinberg團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出FRESH2.0打印系統(tǒng)，采用心肌細(xì)胞和膠原蛋白雙材料的印刷策略，打印出了一個(gè)左心室模型，并進(jìn)一步分析了該模型的功能，觀察到了心率失常相關(guān)的電生理行為和心室收縮現(xiàn)象。

FRESH2.0打印系統(tǒng)是基于膠原蛋白的成功利用而開(kāi)發(fā)的。膠原蛋白在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中起著維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)、提供粘附、傳導(dǎo)信號(hào)等作用，是作為“支架”的理想材料。

研究者改良了生物材料在水凝膠中的組裝機(jī)制——利用酸堿度變化驅(qū)動(dòng)生物材料的自組裝，與傳統(tǒng)的熱驅(qū)動(dòng)相比，酸堿度驅(qū)動(dòng)組裝解決了傳統(tǒng)水凝膠柔軟、支持力度不夠的問(wèn)題，允許使用更強(qiáng)濃度的膠原作為墨水從而增強(qiáng)機(jī)械性能，更有利于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。不僅如此，研究者改良了凝膠微粒的生產(chǎn)工藝，減少了凝膠微粒的直徑和分散程度，并且將凝膠微粒形狀調(diào)整成了均勻球狀形態(tài)，從而將印刷的分辨率提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這兩項(xiàng)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了在水凝膠中印刷精準(zhǔn)膠原蛋白。

為了證明FRESH2.0打印系統(tǒng)的功能，研究者先將印刷物植入小鼠皮下，結(jié)果顯示其能夠生成完整的血管網(wǎng)。該系統(tǒng)又打印出了具有收縮能力的左心室和能夠承載生理壓力的三尖瓣，這表明膠原結(jié)構(gòu)在人體中的機(jī)械完整性。通過(guò)灌注，驗(yàn)證了血管網(wǎng)的暢通性。最后打印出新生兒比例的人體心臟膠原模型，由此證明FRESH2.0打印大型結(jié)構(gòu)能力。

那么，這是否證明FRESH2.0可以打印功能齊全的心臟了呢？Adam Feinberg表示目前仍有許多挑戰(zhàn)需要克服，例如打印所需的數(shù)十億細(xì)胞。目前，F(xiàn)RESH2.0作為打印系統(tǒng)，有能力構(gòu)建模型，有潛力成為研究器官結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度和生物學(xué)特性的強(qiáng)有力工具。

對(duì)3D打印心臟的未來(lái)，孫偉認(rèn)為，“我們也許永遠(yuǎn)不要期待用3D打印可以直接打印出具有生理功能的心臟。”為何這么說(shuō)？

孫偉補(bǔ)充說(shuō)，隨著生物3D打印技術(shù)的發(fā)展，新穎生物墨水的使用，干細(xì)胞和細(xì)胞生物學(xué)的突破，有可能用生物3D打印技術(shù)打印出心臟再生所需的生物學(xué)模型，然后在此基礎(chǔ)上，通過(guò)細(xì)胞生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)的交叉融合，最終實(shí)現(xiàn)心臟再造。

“我樂(lè)觀估計(jì)我們離這一天大概還需要15年的努力?！睂O偉最后預(yù)測(cè)道。