注入纤维的墨水使3D打印心肌能够跳动

导读：心脏病在全球是一个主要的死因之一。美国疾病控制与预防中心（CDC）表示，心血管疾病在美国发病率极高，每33秒就有一人死于心血管疾病。2021年，心血管疾病造成的死亡人数约占总数的五分之一，达到约69.5万人。因此，对心脏病的治疗研究变得尤为迫切。

△使用注入了纤维的墨水进行3D打印，成功模拟了心肌的跳动

2023年8月14日，南极熊获悉，哈佛大学的科学家在生物打印领域取得了重大突破。该团队宣称，通过将特殊纤维注入墨水，成功地3D打印出一个能够模仿人类心脏跳动的功能性心室。

这项技术的核心是注入明胶纤维的水凝胶。使用旋转喷射纺丝技术生产出一片纺丝纤维，然后将其切割成微米尺寸的纤维，然后分散到水凝胶中。打印出所需的结构后（考虑到纤维排列），发现心肌细胞（负责在心肌中携带收缩信号的细胞）沿着如此布置的图案排列，最终形成能够有组织收缩的心肌。

该技术的关键信息
●研究人员创造了一种新型水凝胶墨水，能够用于实现功能性心室的3D打印。
●关键是在可打印油墨中添加明胶纤维。
●该研究小组发现，通过控制心肌细胞的打印方向，他们还能够控制心肌细胞的排列方式。

△在另一个项目中，哈佛大学研究人员利用3D打印技术开发的合成心脏瓣膜

3D打印与生物医疗发展

这并不是生物打印首次用于器官制造。由于器官捐赠的短缺，每天至少有17人在等待器官移植时丧生，尽管2022年发生了超过42万例器官移植手术。为了解决这一挑战，生物打印技术应运而生，它可以使用真实的细胞打印出活体器官部件。尽管研究仍在不断进行中，但其可行性仍然存在一定难题。然而，通过成功地创建具有真实跳动功能的心脏组织，我们不仅可以制造用于研究的3D打印组织，还可能迈向能够打印整个功能性心脏器官的新阶段。

SEAS研究员、论文第一作者Suji Choi解释道：“人们一直试图复制器官的结构和功能，以测试药物的安全性和有效性，从而预测可能在临床环境中出现的情况。这种特殊的墨水可以流经打印喷嘴，但一旦打印出结构，它将保持其3D形状。正因为这些特性，我发现我们可以打印出类似心室的结构以及其它复杂的3D形状，而无需使用额外的支撑材料或支架。”

△该研究题目为“注入纤维的凝胶支架引导3D打印心室中的心肌细胞排列”（传送门）

开发可用的3D打印心脏

哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员，展示了他们如何开发一种名为注入凝胶（FIB）墨水的新型水凝胶墨水，其中注入了明胶纤维。

这种墨水被用于实现功能性心室的3D打印，甚至可以模仿真实人类心脏的跳动。与其它墨水不同，该墨水通过喷嘴打印，由于含有纤维，结构在打印后能够立即保持其3D形状，无需额外的支撑材料或脚手架。

此外，该团队可以控制打印方向，以控制心肌细胞的排列方式。在施加电刺激后，这个结构会触发与纤维方向一致的协调收缩波，类似于泵送。虽然这个版本相对简化且小型化，但研究人员正在努力构建更具厚度的、更逼真的心脏组织。目前，3D打印的心室已能够泵送比以前的3D打印心脏多5至210倍的液体量，为构建心脏瓣膜、双腔微型心脏等开辟了新途径。

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疾病生物物理学组负责人Kevin “Kit” Parker总结道：“FIB只是我们为增材制造开发的一种工具。随着我们继续探索构建用于再生治疗的人体组织，我们正在开发其他方法。我们的目标不是被工具所驱动，而是在寻找更优构建生物学方法的过程中，我们与工具相辅相成。”