Science:膠原蛋白做「墨水」,3D生物列印出會跳動的心

2020-11-24 騰訊網

儘管當下3D列印生物器官已經取得了裡程碑式成果，但在用活細胞和軟生物材料列印方面仍有困難。其中一個關鍵的障礙就是，缺乏列印過程中支持柔軟和動態的生物材料，以實現重建複雜的3D結構和功能所需的解析度和保真度。

現在，美國卡耐基梅隆大學（CMU）的研究人員找到了解決方案。他們開發了一種叫做Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels（FRESH）技術，以膠原蛋白為生物墨水，3D生物列印了人類心臟的功能性部件（血管、瓣膜和心室搏動），並實現了前所未有的解析度和保真度。相關研究結果發表在《Science》雜誌上。

DOI: 10.1126/science.aav9051

3D列印會跳動的心

人體的每一個器官，都是由一種叫做細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的生物支架，將各種特殊的細胞組成在一起的。ECM蛋白網絡提供了細胞執行正常功能所需的結構和生化信號。然而，到目前為止，還不可能使用傳統的生物製造方法重建這種複雜的ECM結構。

Adam Feinberg教授 圖片來源：CMU

卡耐基梅隆大學的材料工程與生物醫學專業（BME）教授Adam Feinberg說道，「我們研究表明，可以將心臟細胞和膠原蛋白列印成心臟關鍵部件，比如心臟瓣膜或小的跳動心室。」

「膠原蛋白是一種非常理想的3D生物列印材料，因為它幾乎存在於人體的每一個組織，」論文的第一作者、BME博士的Andrew Hudson解釋道，「然而，最初天然的膠原蛋白應用於3D生物列印也有困難，因為它是液態的，在空氣中列印就只會得到一灘水。我們通過pH值的快速變化克服了這些障礙，使膠原蛋白在精確控制下凝固。」

在最新的研究中，Feinberg實驗室開發的FRESH 3D生物列印方法允許膠原蛋白在支持凝膠中逐層沉積，使膠原蛋白有機會在從支持凝膠中取出之前固化。使用FRESH技術，列印完成後，通過將凝膠從室溫加熱至體溫，即可將支持凝膠融化。這樣，研究人員就可以在不破壞膠原蛋白或細胞列印結構的前提下移除支持凝膠。

卡內基梅隆大學的研究人員開發出一種3D生物列印膠原蛋白技術，可以製造人體心臟的全功能成分。圖片來源：CMU

開源平臺，免費分享

FRESH這種方法對於3D生物列印領域來說是非常令人興奮的，因為它允許膠原支架列印大尺寸的人體器官。而且它不限於膠原蛋白，纖維蛋白、藻酸鹽、透明質酸等多種軟性生物材料均可作為生物墨水。通過FRESH技術進行3D生物列印，為組織工程提供了一個強大且適應性強的平臺。更重要的是，研究人員還做了開源設計，這樣任何人都可以構建並獲得低成本、高性能的3D生物印表機。

Feinberg表示，近期會進行例如因心臟病或肝臟受損而喪失功能的心臟修補工作。展望未來，從傷口修復到器官生物工程，FRESH在再生醫學的許多方面都會有所應用。目前仍然存在的挑戰是列印大型組織需要數十億的細胞，如何實現製造規模以及遵循監管程序，以便能在動物和人類中進行測試。

儘管任重道遠，但我們距離實現3D生物列印全尺寸人類心臟的夢想又近了一步。

End

參考資料：

[1]3D printing the human heart

[2]RESEARCHERS 3D PRINT FUNCTIONAL COMPONENTS OF HUMAN HEART

[3]Scientists 3D-print collagen heart parts

[4]CARNEGIE MELLON ADVANCES FRESH 3D BIOPRINTING TO REBUILD THE HEART

[5]3-D printing the human heart

[6]FRESH 3D Printing Used to Rebuild Functional Components of Human Heart

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