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3D生物打印再升级 可用人造心脏或成现实

来源: 时间:2019-08-13
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30年前,3D打印技术第一次进入人们的视野。它与普通打印工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。
 
如今,3D打印技术的应用领域已远远超出人们的预想,令人不可思议的3D打印食物、3D打印药物、3D打印房屋、3D打印汽车相继出现,甚至连3D打印空间站工具和零件都有了。
 
而在医疗领域,科学家们也已成功使用3D技术来生产定制假肢、植入物、髋关节置换、助听器,甚至是假牙。今年4月,以色列科学家还向世界展示了全球首例3D打印的樱桃般大小的“完整心脏”。不过,现阶段3D打印人体器官依然不够成熟。实验室中通过3D打印制造的组织和器官,在尺寸、结构、细胞种类、细胞存活时间等多方面还和人体器官有差距或是有限制,通常无法实现人体器官的复杂功能,只能被称为“类组织”或“类器官”。
 
好消息是,近日卡内基梅隆大学工程学院(College of Engineering, Carnegie Mellon University)的研究人员宣布,他们已成功开发了一种史无前例的3D生物打印方法,使组织工程领域向3D打印全尺寸成人心脏又迈进了一步。
 
这项技术被称为Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH),它使研究人员克服了现有3D生物打印方法面临的许多挑战,并利用软质和活性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,都是由特殊细胞构成的,它们由一种叫做细胞外基质(ECM)的生物支架连接在一起。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,凭借传统的生物制造方法还无法重建这个复杂的ECM架构。
 
卡内基梅隆大学生物医学工程(BME)与材料科学工程的教授亚当?范伯格(Adam Feinberg)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生物打印胶原蛋白和人类心脏细胞,使它们具备如心脏瓣膜或心室一样的真正功能。”
 
“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,” 范伯格实验室的BME博士生安德鲁·哈德森(Andrew Hudson)解释说,“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。”
 
范伯格实验室开发的“FRESH”3D生物打印技术,能让胶原蛋白在凝胶支撑液中逐层沉积,使胶原蛋白有机会在从支撑液中取出之前凝固到位。用“FRESH”技术打印完成后,将凝胶从室温加热至体温即可将支撑凝胶融化。这样,研究人员就可以在不破坏已打印的胶原蛋白或细胞结构的前提下移除支撑凝胶。
 
这种方法是3D生物打印领域真正令人兴奋的突破。因为它能够针对大型人体器官打印胶原蛋白支架。不仅限于胶原蛋白,其他多种软性凝胶,比如纤维蛋白、藻酸盐、透明质酸等,均可通过“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。
 
展望未来,FRESH在再生医学的许多方面都能用得上,从伤口修复到器官生物工程,但它只是一个不断增长的生物制造领域的一部分。
 
作为卡内基梅隆大学生物工程器官计划的成员之一,范伯格博士指出,“我们真正谈论的是技术的融合。不仅仅是我的实验室在生物打印方面所做的,还有其他实验室和公司在干细胞科学、机器学习、计算机模拟以及新的3D生物打印硬件和软件领域所做的工作。虽然我们很兴奋在设计人体功能性组织和器官方面取得了真正的进展,但还有许多研究尚未完成。”
 
卡内基梅隆大学的研究人员在最新《科学》杂志上发表论文,详细介绍了这种新技术。
 
参考资料:
 
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190801142542.htm
 

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