記得大概在去年4月份的時(shí)候，特拉維夫大學(xué)的研究員使用患者自己的細(xì)胞和生物材料成功“打印“了世界上第一顆3D血管化心臟，也是第一次有人設(shè)計(jì)并打印充滿細(xì)胞、血管以及心室的完整心臟。時(shí)隔一年，現(xiàn)在全球3D打印心臟又發(fā)展到何種程度了呢？

與其他臟器不同，心臟因其體積大、細(xì)胞種類繁多且需要自主跳動(dòng)，才能具有功能。即便3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，在醫(yī)療領(lǐng)域例如顱頜面外科、骨科、口腔科等不乏3D打印假體植入案的今天，想要3D打印一顆匹配患者的細(xì)胞學(xué)、生物化學(xué)、解剖學(xué)特性的心臟，依舊非常困難。

3D打印心臟到底難在哪？

3D打印心臟，絕不只是把一堆細(xì)胞堆成心臟的樣子那么簡(jiǎn)單。首先，我們知道心臟整齊地跳動(dòng)需要心臟的細(xì)胞間有緊密的聯(lián)系，而地球重力的存在，直接或間接地導(dǎo)致這一切條件都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。由于心臟不能整齊地跳動(dòng)，導(dǎo)致3D打印出來(lái)的心臟不能泵血。

不僅如此，與其他3D打印普遍使用的激光或熱不同，由于生物3D打印使用的是細(xì)胞，為了保證細(xì)胞的活性，就不能有光和熱。生物3D打印根據(jù)不同的細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境，需要設(shè)置打印的參數(shù)，精確地控制生物材料中細(xì)胞的密度、生長(zhǎng)因子在整體3D結(jié)構(gòu)中的位置及相關(guān)作用，才能使打印出的組織具有生物活性。

加之心臟比一般的器官更為復(fù)雜--會(huì)跳動(dòng)。心肌細(xì)胞被緊密地連在一起，細(xì)胞產(chǎn)生的電信號(hào)會(huì)使大批心肌細(xì)胞共同收縮，為了協(xié)調(diào)兩個(gè)心房和兩個(gè)心室的協(xié)同收縮，心臟本身還有一套特殊的傳導(dǎo)系統(tǒng)。盡管在體外生產(chǎn)幾千萬(wàn)個(gè)心肌細(xì)胞并不難，可即便心臟被3D打印出來(lái)，能不能跳是一回事，怎么跳則是另外一回事。

就臨床病癥來(lái)說(shuō)，心室纖顫就是因?yàn)樾募〖?xì)胞不能同步跳，一旦失去“同步”，各個(gè)細(xì)胞此起彼伏地亂跳就會(huì)讓心臟在瞬間失去泵血功能，導(dǎo)致患者死亡。因此，如果要實(shí)現(xiàn)心臟的泵血功能，心臟必須非常整齊地跳動(dòng)。

打印出來(lái)的心臟能不能整齊地跳動(dòng)，其實(shí)與地球重力有關(guān)。3D打印的黏附力不足以支撐心臟或腎臟這種大器官，在重力的影響下會(huì)造成細(xì)胞間的撕裂。因此，生物3D打印的核心問(wèn)題在于如何解決生物材料和地球重力對(duì)3D打印細(xì)胞的影響。

全球3D打印心臟到達(dá)何種程度了？

盡管目前尚未有成功移植完整3D生物打印心臟的案例，但并不影響生物醫(yī)藥公司和科研小組向功能齊全的3D打印心臟邁進(jìn)。這里我們也為各位整理了一些最近比較前途無(wú)量的3D打印心臟項(xiàng)目。

特拉維夫大學(xué)的微型心臟

特拉維夫大學(xué)，我們?cè)陂_篇提到過(guò)，其分子細(xì)胞生物學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院成功制作全球首顆有細(xì)胞，有血管，也有其他支撐結(jié)構(gòu)，甚至像心臟一樣可以收縮3D打印心臟。盡管這顆心臟的長(zhǎng)度只有2.5厘米，但卻是第一次使用人類細(xì)胞對(duì)完全血管化的3D打印人心臟，向功能性人體器官生物打印邁出關(guān)鍵一步。

其技術(shù)原理是，從實(shí)驗(yàn)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，再將細(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(wú)機(jī)材料混合，制成生物墨水，最終進(jìn)行3D打印。

由于使用的是患者自己的細(xì)胞，因此可以完全消除排斥新生物工程器官。要知道，排斥反應(yīng)是器官移植中的一個(gè)主要問(wèn)題，很多接受心臟移植手術(shù)的患者在手術(shù)后的第一年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)排異癥狀。有了此次的成功，研究團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)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，并希望在10年內(nèi)，世界上最好的醫(yī)院將配備器官3D打印機(jī)，并且可以正常為病人提供服務(wù)。

WFIRM的生物工程心臟組織

WFIRM的主管Anthony Atala博士在3D生物打印領(lǐng)域非常有名。幾年前，他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)并將膀胱移植到了活著的患者中。截至目前，該研究所已經(jīng)開發(fā)了30多種不同的組織和器官。

2018年4月，WFIRM團(tuán)隊(duì)發(fā)表過(guò)一篇論文，描述了團(tuán)隊(duì)使用大鼠心臟細(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)，并且能夠測(cè)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(huì)導(dǎo)致打印的心臟組織中的心率發(fā)生預(yù)期的變化。

在今年年初的時(shí)候，WFIRM宣布創(chuàng)建一個(gè)微型人體 “模型”，包含不同的生物工程人體組織，將專門用于藥物測(cè)試。微小的類器官結(jié)構(gòu)大約是成年人大小的百萬(wàn)分之一，并且包括微型心臟組織。Atala博士表示，微型人體實(shí)驗(yàn)室模型一個(gè)最重要的功能是，在開發(fā)的早期就確定一種藥物是否對(duì)人類有毒，這對(duì)實(shí)驗(yàn)藥物測(cè)試產(chǎn)生了巨大影響。

Biolife4D微型心臟

Biolife4D公司的總部位于芝加哥，其目標(biāo)旨在利用生物工程和3D打印技術(shù)，制造能夠移植的人類心臟。在2018年，他們成功地展示了人類心臟組織補(bǔ)丁的生物印記，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。

為了生產(chǎn)這些補(bǔ)丁，他們通過(guò)MRI機(jī)器獲取患者心臟的3D數(shù)字模型后，使用患者自己的心臟細(xì)胞，結(jié)合營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他生物材料創(chuàng)建生物墨水。最后，組織補(bǔ)丁經(jīng)過(guò)3D打印并在生物反應(yīng)器中成熟，直到可以移植。

去年9月，公司還宣布了另一個(gè)重大突破，即迷你心形3D打印機(jī)，由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(duì)心臟3D打印進(jìn)行了優(yōu)化。Biolife4D表示，有了這個(gè)新的里程碑，只需優(yōu)化工藝并擴(kuò)大技術(shù)范圍即可實(shí)現(xiàn)“成功移植的全尺寸、3D打印功能性心臟“這一最終目標(biāo)。

ETH＆SAT的人工心臟瓣膜

2017年的時(shí)候，瑞士科技大學(xué)ETH Zurich的一組研究人員發(fā)表了一篇論文，描述了自己用有機(jī)硅3D打印的功能性跳動(dòng)心臟，且不論大小還是功能，都與人類心臟大致相同，它們的工作證明了我們正在迅速地實(shí)現(xiàn)無(wú)需移植就可以替代心臟的能力。

這種硅膠打印體具有左右心室以及通過(guò)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)泵送動(dòng)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3000拍，然后材料會(huì)降解和減弱。到了2019年，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，能夠替代真實(shí)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。

對(duì)于已經(jīng)有用于移植的人造心臟瓣膜成功案例，ETH＆SAT開發(fā)的人造心臟瓣膜的可以針對(duì)每個(gè)患者量身定制。得益于MRI和CT成像，每個(gè)閥門都可以專門設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)完美的配合。

實(shí)際上，每年都有大批的患者在等待心臟移植的過(guò)程中，不幸去世。即便成功移植，也會(huì)在術(shù)后的幾年內(nèi)，出現(xiàn)排異反應(yīng)，引發(fā)術(shù)后綜合征，而這些都是我們研究3D打印心臟的意義所在，拯救更多的患者，同時(shí)攻克器官移植排異難題。