3D打印定制化心脏补片以及整个“心脏”

供稿人:赵廷泽 连芩
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

心血管疾病是引起人类死亡的主要原因之一。到目前为止，心脏移植是治疗终末期心衰的唯一方法。但是由于心脏供体的数量有限，因此需要开发新的方法来再生心脏。心脏组织工程的出现为此提供了一种极具潜力的方法。它通过使用心脏细胞和三维生物材料制成一个临时的支架，支撑细胞并促进细胞再生成为功能组织。在体外成熟后，可以将设计好的心脏补片移植到缺陷的心脏上。当与宿主完全融合开始时，生物材料逐渐降解，留下一个具有活性和功能的补丁，再生心脏。

以色列特拉维夫大学的研究人员通过生物3D打印的技术，使用患者自身的细胞成功制造了一个可以血管化且可灌流的心脏补片。首先，研究人员使用CT得到患者左心室血管的三维结构。为了将三维心脏补片贴合到患者的左心室，研究人员根据CT图像，运用CAD软件，设计了补片的尺寸和血管的几何形状。脱细胞外基质作为主要生物墨水制造心脏补片的主体结构，并使用明胶作为牺牲墨水制造血管结构，整个制造过程通过一台生物3D打印机完成。

图1 生物3D打印心脏补片过程与患者左心室补片模型建立

为了评估打印的补片在生物体内的存在和形态，研究人员将补片植入大鼠的两层网膜（与胃相连系的腹膜褶，有大网膜和小网膜）之间。7天后取出并观测。可见在组织中具有打印的管腔，且细胞被拉长，有大量的条纹，这说明它们很有可能具有了收缩的能力。研究结果证明了使用患者细胞，通过3D打印制造完全定制化的具有收缩功能的心脏补片的能力。这种方法可以制造具有几个毫米的厚结构，而这足以满足临床相关的心脏补片。

考虑到制造更大更复杂的组织时，上述的制造策略由于生物墨水无法承受其支架重量，研究人员提出了另一种制造策略，即制造一个带有主要血管结构的小型仿生“心脏”（高20mm直径14mm）。如图2所示，通过将3D打印的结构沉积在一个支撑浴之中以支撑支架的重量，打印结束后固化支架结构的同时，去除支撑浴材料，以此获得体积更大更复杂的组织工程结构。

图2 支撑浴打印策略与小型仿生“心脏”结构

参考文献：
Noor, N.; Shapira, A.; Edri, R.; Gal, I.; Wertheim, L.; Dvir, T., 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts. Advanced Science 2019, 6 (11).