研究人员开发出新型生物墨水，用于3D打印个性化“芯片上的心脏”设备

2024年2月21日，南极熊获悉，隶属于蒙特利尔大学(UdeM)，圣贾斯汀大学研究中心（Centre de recherche Azrieli du CHU Sainte-Justine）的研究人员开发出一种新型生物墨水，这种墨水经过优化，可用于3D打印个性化心脏芯片设备。

△这项研究由UdeM药理学教授Houman Savoji和博士生Ali Mousavi领导的研究团队完成，并发表在最新一期的Applied Materials Today上，题目为“开发具有改进电机械性能的光交联生物墨水，用于生物3D打印心脏BioRings”（传送门）

该团队表示，这种新型可3D打印复合生物墨水能准确反映人类心脏的电活动、机械性能和生理机能。

Savoji表示："我们的研究使结合生物3D打印技术更快速、更精确地生产标准芯片心脏成为可能。更重要的是，我们的研究结果表明，打印出来的设备比人工生产的设备性能更好。”

△3D打印个性化心脏芯片设备

3D打印“芯片上的心脏”

这种新型的可3D打印生物墨水基于可光交联的天然聚合物甲基丙烯酸明胶（GelMA）和甲基丙烯酸海藻酸盐（AlgMA），以及导电性还原氧化石墨烯（rGO）纳米材料。据研究作者称，这是AlgMA首次用于组织心脏工程应用。

在整个研究过程中，科学家们合成了水凝胶成分并对其进行了表征，配制出了各种材料浓度的生物墨水。为了开发出最佳的生物3D打印墨水配方，研究小组研究了不同组合的物理化学、结构、机电、细胞毒性、3D打印性和降解特性。

在3D打印心脏设备时，还加入了不同类型的细胞。这些细胞包括新生大鼠心肌细胞、心脏成纤维细胞和HL-1细胞。

△3D打印“芯片上的心脏”研究的不同阶段

该团队表示，优化的生物墨水配方支持高水平的心脏细胞活力、增殖、扩散、伸长和排列。这使得"芯片心脏"设备能够准确反映真实的人类心脏功能，包括细胞自发跳动。

该研究的第一作者Mousavi说："我们配制的生物墨水能最好地再现心脏的特性，如弹性和导电性，并具有生物3D打印所需的合适特性。”

Mousavi表示，目前，大多数"芯片上的心脏"设备都是在实验室中，以非标准化方法单独生产的。因此，它们往往缺乏工业规模生产的可扩展性。在这个研究项目中，研究小组采用了自动化、高通量的生物3D打印工艺，在12孔板中制作心脏模型。希望这种方法能提高3D打印心脏设备在医疗领域的应用。

展望未来，研究人员将进一步开发用于药物鉴定和测试应用的个性化3D打印心脏芯片设备。将新型生物墨水与患者干细胞相结合，就能3D打印出患者特异性心脏模型，从而促进个性化心脏药物的开发。

Mousavi补充道："下一步将对健康和患病的心脏细胞进行比较，以开发实体心脏病理模型。这也将使我们能够安全、准确地测试新治疗分子对细胞的影响。"

这项技术有望在医学研究和药物测试方面发挥重要作用，因为它能够提供更真实的心脏模型，帮助科学家更好地理解心脏疾病的发展和药物对心脏的影响。该研究的结果有望推动生物打印技术在医学领域的进一步发展和应用。