全球3D打印心脏都到什么程度了？

Lucas Carolo

3D生物打印的器官，尤其是心脏，正逐渐成为现实。南极熊带你一起了解2020年最有前途的3D打印心脏项目。

生物3D打印是将细胞、化合物和生物材料结合在一起，使用增材制造技术制造生物工程组织和结构。与传统的FDM 3D打印不同，生物打印使用称为bioink生物墨水的东西（有机和无机材料的混合物）来制作模型。

可以想象，这项技术对医疗行业非常重要。它的主要用途是挽救数百万需要替换器官或移植的患者的生命。每天都大量的人等待更换器官。

更麻烦的是是，宿主对器官的可能产生排斥，需要再次更换。如果能够使用患者自己的细胞进行3D打印人造器官，则可以帮助消除移植排斥问题和移植领域的器官缺陷。

迄今为止，尚未成功制作或移植完整的3D生物打印心脏。但是，许多公司和研究小组一直在向功能齐全的3D打印心脏迈进。让我们一起看看一些最有前途的项目（南极熊3D打印网专门开了一个生物3D打印专栏，汇总全球生物打印信息）。


WFIRM：生物工程心脏组织

△WFIRM开发了30多种不同的组织和器官（来源：维克森林医学院）

WFIRM的主管Anthony Atala博士在3D生物打印领域是一个了不起的名字。几年前，他的团队进行了工程设计（未进行3D打印）并将膀胱移植到了活着的患者中。目前，该研究所开发了30多种不同的组织和器官。

2018年4月，WFIRM团队发表了一篇论文，描述了他们如何使用大鼠心脏细胞3D生物打印功能性和收缩性心脏组织。这些细胞被悬浮在生物墨水中，并被打印成类似于人类心脏组织的结构。

他们能够测试肾上腺素和卡巴胆碱等激素的作用，就像在生物体中一样，这会导致打印的心脏组织中的心率发生预期的变化。


2020年初，WFIRM宣布创建一个  微型人体 “模型”，其中包含不同的生物工程人体组织，这些组织将专门用于药物测试。微小的类器官结构大约是成年人大小的百万分之一，并且包括微型心脏组织。

Atala博士说，微型人体实验室模型的最重要功能是“在开发的早期就确定一种药物是否对人类有毒”，这对实验药物测试产生了巨大影响。

特拉维夫大学：微型心脏

2019年4月，特拉维夫大学分子细胞生物学与生物技术学院，宣布成功制作3D打印心脏的消息传遍全球。

这是第一次使用人细胞对完全血管化的3D打印人心脏。尽管它是一个缩小的模型，但它是一项巨大的成就，向功能性人体器官生物打印迈出重要一步。


技术原理
从实验者的脂肪组织中提取人类细胞，然后将其改造成干细胞，然后将细胞分化为心脏中各种类型的心脏细胞。这些新的“心脏”细胞与无机材料混合，制成生物墨水，最终进行3D打印。

通过使用患者自己的细胞，可以消除任何排斥新生物工程器官。排斥反应是器官移植的一个主要问题，不幸的是，许多心脏接受者在手术后的第一年内就出现了症状。

TAU团队的下一个挑战是使这些分化的细胞成熟并使其发挥预期功能。领导研究团队的Tal Dvir教授希望，在10年内，“世界上最好的医院将配备器官3D打印机，并且可以正常为病人提供服务。”


哈佛刘易斯实验室：新型生物打印技术

△去除了3D打印材料，留下了允许血液流动的通道

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的刘易斯实验室是生物打印领域的又一重要参与者，最近宣布了一项新技术，可以实现3D打印心脏。该实验室由詹妮弗·刘易斯（Jennifer A. Lewis）教授领导。

技术原理
这种新的生物打印技术称为SWIFT，是牺牲性写入功能组织（sacrificial writing into functional tissue）的首字母缩写。它将活细胞作为基质，将血管通道打印到其中。然后，通过加热除去3D打印材料，留下应作为血管结构的通道，让血液流过。

常规3D生物打印技术可与需要在生物反应器中成熟的细胞一起使用，以“存活”并获得3D打印器官内所需的特定功能。这些技术中使用的生物墨水也缺乏人体组织的实际密度。SWIFT技术绕开了这两个问题，因为它可以与已经以所需密度包装的活细胞一起使用。

该研究小组成功地将3D打印的血管通道打印到了活心脏来源的细胞中，从而形成了像活心脏一样跳动的心脏组织。组织保持存活并同步跳动7天，证明3D打印的血管通道可按预期发挥功能。


Biolife4D：微型心脏

总部位于芝加哥的Biolife4D公司，目标是使用生物工程和3D打印技术，制造以移植为目的的人类心脏。

在2018年，他们成功地展示了人类心脏组织补丁的实际生物印记，这意味着组织具有血流并且可以像真正的心脏一样收缩。这些心脏组织贴片可用于恢复急性心力衰竭患者的受损心脏部分。


技术原理
为了产生这些补丁，通过MRI机器获取患者心脏的3D数字模型。然后，使用患者自己的心脏细胞，结合营养物质和其他生物材料，创建生物墨水。最后，组织补丁经过3D打印并在生物反应器中成熟，直到可以移植。

在2019年9月，他们宣布了另一个重大突破：成功的迷你心形3D打印机。他们声称，它使用自己的具有人类心脏特性的生物墨水制成，复制了人类心脏的许多特征。Biolife4D还改进了其生物打印算法，专门针对心脏3D打印进行了优化。

根据Biolife4D的说法，有了这个新的里程碑，只需“优化我们的工艺并扩大技术范围”即可实现其最终目标：成功移植的全尺寸、功能性3D打印心脏。


ETH＆SAT：人工心脏瓣膜

△这些3D打印心脏瓣膜可以替代实际患者中的渗漏或损坏的瓣膜（来源：Science Business）

尽管未进行生物打印，但2017年，瑞士科技大学ETH Zurich的一组研究人员发表了一篇论文，描述了用有机硅3D打印的功能性跳动心脏。

他们与人类心脏的大小大致相同，并且具有相同的功能，它们的工作证明了我们正在迅速地实现无需移植就可以替代心脏的能力。


技术原理
就像真正的人类心脏一样，这种硅胶打印体具有左右心室以及通过压缩空气驱动泵送动作的腔室。主要限制是3D打印的心脏只能持续大约30分钟或3,000拍，然后材料会降解和减弱。

在2019年，同一研究小组与南非公司Strait Access Technologies合作开发了人造3D打印心脏瓣膜，可替代真实患者中的渗漏或损坏的瓣膜。这些部件以与身体兼容的材料进行3D打印，并提供与常规更换阀相同的血流功能。

尽管已经存在用于移植的人造心脏瓣膜，但瑞士研究人员开发的人造心脏瓣膜的针对每个患者量身定制的。得益于MRI和CT成像，每个阀门都可以专门设计以实现完美的配合。