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3D打印出可工作心脏组织 结构精细度高达20微米可嵌入活体细胞

3D打印出可工作心脏组织 结构精细度高达20微米可嵌入活体细胞

[来源:]    [作者]    [日期:2019-08-07 09:10]    [热度:]

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卡耐基梅隆大学的一组研究人员在《科学》杂志上发表了一篇论文,详细介绍了一种新技术,任何人都可以用胶原蛋白(人体的主要结构蛋白)对组织支架进行3D生物打印。这是一种史无前例的方法,它标志着组织工程领域向3D打印完整的成人心脏又迈进了一步。

这项技术被称为悬浮水凝胶自由形式可逆嵌入(FRESH),它使研究人员克服了与现有3D生物打印方法相关的许多挑战,并利用软质和生物材料实现了前所未有的分辨率和保真度。

人体的每一个器官,比如心脏,都是由特殊细胞通过一种叫做细胞外基质(ECM)的生物支架连接在一起构成的。这种ECM蛋白网络提供细胞正常功能所需的结构和生化信号。然而,到目前为止,使用传统的生物制造方法还不可能重建这个复杂的ECM架构。

“我们已经证明我们可以打印心脏的细胞和胶原蛋白部分,具有真正的功能,如心脏瓣膜或一个小心室跳动。”卡内基梅隆大学材料科学生物医学工程教授(BME)亚当•范伯格说,“通过使用人类心脏的MRI数据,我们能够准确地重现患者特定的解剖结构、3D生物胶原蛋白和人类心脏细胞。”

美国有4000多名患者正在等待心脏移植,而世界上还有数百万人需要心脏,但却没有进入等待名单。对替代器官的需求是巨大的,需要新的方法来设计能够修复、补充或替代长期器官功能的人造器官。范伯格是卡内基梅隆大学生物工程器官计划的成员之一,他正在努力用新一代生物工程器官来解决这些挑战。

“胶原蛋白是一种非常理想的3D打印生物材料,因为它几乎构成了你身体的每一个组织。”安德鲁·哈德森解释说,他是范伯格实验室的BME博士生,也是这篇论文的第一作者之一。“然而,3D打印之所以如此困难,是因为它一开始是液态的——所以如果你想在空中打印它,它只会在你的构建平台上形成一个水坑。所以我们开发了一种技术来防止它变形。”

研究人员开发了FRESH技术来防止其变形。FRESH可以让胶原蛋白在凝胶支撑槽中逐层叠加,然后通过从室温到体温的加热,把支撑槽融化,从而得到一个完好的结构。这些结构的精细度可达20微米,可嵌入活体细胞和毛细血管。借助这一方法,可设计打印从毛细血管到整个器官的各种尺度的人类心脏组件。

不仅限于胶原蛋白,纤维蛋白、藻酸盐、透明质酸等多种软性凝胶均可采用FRESH技术进行3D生物打印,为组织工程提供了一个强大、适应性强的平台。重要的是,研究人员还开发了开源设计,这样几乎任何人,从医学实验室到高中科学班,都可以构建并获得低成本、高性能的3D生物打印机。

当然,实现这一目标还面临诸多挑战,包括:生成生物打印大型组织所需的数十亿个细胞;遵守监管程序,以便在动物以及最终在人身上进行试验。

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