《Nature Materials》：科学家定制纤维复合凝胶墨水，可3D 打印出仿生心脏模型

导读：在过去十年间，生物组织工程领域取得了许多引人瞩目的成果。如今，科学家们将目光转向3D 打印心脏组织，深入研究如何对抗心脏病，根据个体患者的独特需求定制治疗方案，甚至设想有一天可能通过外植入物修复或替换患者心脏的受损部分。

2023年8月1日，南极熊获悉，在哈佛大学 John A. Paulson 工程与应用科学学院(SEAS)领导的一项具有里程碑意义的研究中，研究人员开发了一种新方法来 3D 打印模仿人类心脏跳动的生物结构。得益于将水凝胶与预制明胶纤维相结合的纤维注入凝胶 (FIG) 墨水，他们可以精确打印心室的 3D 模型，而无需额外的支撑材料。

这项研究的详细信息以题为“Fibre-infused gel scaffoldsguide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles”的论文被发表在《自然材料》上，由Suji Choi, Keel Yong Lee等人联合撰写。。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01611-3

论文指出，在 3D 打印过程中，纤维会以一种类似于实际心脏组织的模式排列，这对于心脏细胞（心肌细胞）是有利的。因此，打印的心脏模型表现出与真实心脏相似的特性，例如它们如何导电和收缩。未来，这项技术可以进一步调整，以创建更复杂、更实用的心脏模型。

这项工作的意义在于，它引入了一种3D打印心脏组织的新颖方法，更接近于复制真实心脏的复杂结构和功能。通过在水凝胶中添加明胶纤维，研究团队可以创建更详细、更准确的心脏模型。这在医学研究、药物测试以及可能的未来治疗中具有潜在的应用。研究小组表示，该方法仍有改进的空间，进一步的研究将尝试增强其能力，包括引入多种细胞类型或更好地模拟血管。

SEAS 的研究员、该论文的第一作者Suji Choi 指出了他们在努力复制器官结构用于药物测试时所面临的挑战：“人们一直在尝试复制器官结构和功能来测试药物的安全性和有效性，以此来预测临床环境中可能发生的情况。但到目前为止，仅靠 3D 打印技术还无法实现心肌细胞的生理相关排列，心肌细胞负责以协调的方式传输电信号以收缩心肌。”

此外，这项研究的关键之处在于纤维与可打印墨水的融合，无需外部支撑即可创建复杂的 3D 形状。

Choi 解释道：“FIG 墨水能够流过打印喷嘴，但一旦打印出结构，它就会保持其 3D 形状。由于这些特性，我发现可以打印类似心室的结构和其他复杂的 3D 形状，而无需使用额外的支撑材料或支架。”

FIG墨水的起源是各种思想的交汇。博士后研究员 Luke MacQueen 建议将通过新型旋转喷射纺丝技术制成的纤维与墨水混合。这种方法比传统的静电纺丝技术要好得多，可以保留可能在电场中降解的蛋白质。

△墨水成分示意图如图所示。图片由《自然材料》期刊提供

在正在进行的实验中，Choi 发现，当对这些 3D 打印结构施加电刺激时，它会产生模仿真实心室节律的协调收缩波。该团队声称，他们立即就看到了该技术的潜力：心室能够泵送比以前模型多 5 至 20 倍的液体量。

该论文的资深作者、塔尔家族生物工程和应用物理学教授、SEAS 疾病生物物理学小组负责人凯文·“基特”·帕克 (Kevin“Kit” Parker) 说道：“我们启动这个项目是为了解决生物组织 3D 打印的一些不足之处。当 Luke 提出这个概念时，他的愿景是通过将打印精度降低至纳米尺度，扩大 3D 打印机可打印的空间尺度范围。通过旋转喷射纺丝而不是静电纺丝生产纤维的优点是，我们可以使用会被静电纺丝电场降解的蛋白质材料。”

尽管团队承认原型的局限性，但他们看到了巨大的潜力。事实上，人们已经在努力设计更逼真的心脏组织，并且人们对使用这种方法构建更复杂的心脏结构（如心脏瓣膜和双腔迷你心脏）持乐观态度。此外，帕克还强调了该团队致力于开发用于再生疗法的人体组织。

近年来，生物工程领域还涌现了许多其他值得关注的努力。例如，特拉维夫大学的研究人员在2019 年利用患者细胞3D 打印心脏贴片，实现了包含血管和心室的复杂结构，从而引起了轰动。同样，明尼苏达大学2017 年的一项举措依靠定制 3D 打印机制作栩栩如生的人造心脏模型，展示现在可以复制的复杂解剖细节。然而，哈佛大学研究人员描述的新方法是独一无二的。该项目得到了众多受人尊敬的机构的大力支持，包括美国国家科学基金会(NSF) 和美国国立卫生研究院(NIH) 的哈佛海洋工程学院(Harvard SEAS) 认为生物工程的未来一片光明。