來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的一組研究人員發(fā)表了一篇科學(xué)論文，其中詳細介紹了一項新技術(shù)，允許任何人使用人體內(nèi)主要結(jié)構(gòu)蛋白膠原蛋白對組織支架進行3D生物打印。這種首創(chuàng)的方法使組織工程領(lǐng)域更接近于能夠3D打印全尺寸的成人人類心臟。

這種被稱為自由形式可逆嵌入懸浮水凝膠(FRESH)的技術(shù)使研究人員克服了與現(xiàn)有3D生物打印方法相關(guān)的許多挑戰(zhàn)，并使用柔軟和生物材料實現(xiàn)了前所未有的分辨率和保真度。

人體中的每個器官，例如心臟，是由稱為細胞外基質(zhì)(ECM)的生物支架保持在一起的特化細胞構(gòu)建的。這種ECM蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)提供了細胞執(zhí)行其正常功能所需的結(jié)構(gòu)和生化信號。然而，到目前為止，還不可能使用傳統(tǒng)的生物制造方法重建這種復(fù)雜的ECM架構(gòu)。

“我們所展示的是，我們可以將細胞和膠原蛋白的碎片打印成真正起作用的部分，如心臟瓣膜或小心臟搏動，”生物醫(yī)學(xué)工程(BME)教授Adam Feinberg說?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的材料科學(xué)與工程專業(yè)，他的實驗室完成了這項工作。“通過使用人類心臟的MRI數(shù)據(jù)，我們能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)患者特異性解剖結(jié)構(gòu)和3D生物打印膠原蛋白和人類心臟細胞。”

美國有超過4000名患者正在等待心臟移植手術(shù)，而全球數(shù)百萬患者需要心臟但不符合等候名單的資格。對更換器官的需求是巨大的，并且需要新的方法來設(shè)計能夠修復(fù)，補充或替換長期器官功能的人造器官。Feinberg是Carnegie Mellon的生物工程機關(guān)倡議的成員，正在努力通過新一代生物工程器官來解決這些挑戰(zhàn)，這些器官能夠更緊密地復(fù)制天然器官結(jié)構(gòu)。

“膠原蛋白是一種非常理想的3D打印生物材料，因為它可以彌補身體中的每一種組織，”BME博士的Andrew Hudson解釋道。Feinberg實驗室的學(xué)生和論文的共同第一作者。“然而，3D打印如此困難的原因在于它最初是流動的 - 所以如果你試圖在空中打印它，它只會在你的構(gòu)建平臺上形成一個水坑。所以我們開發(fā)了一種技術(shù)來防止它變形了。“

在Feinberg實驗室開發(fā)的FRESH 3D生物打印方法允許膠原蛋白逐層沉積在凝膠支持浴中，使膠原蛋白在從支撐浴中取出之前有機會固化。使用FRESH，在打印完成后，通過將凝膠從室溫加熱到體溫，可以很容易地將支持凝膠熔化掉。通過這種方式，研究人員可以去除支撐凝膠，而不會損壞由膠原蛋白或細胞構(gòu)成的印刷結(jié)構(gòu)。

這種方法對于3D生物打印領(lǐng)域來說是非常令人興奮的，因為它允許膠原支架在大規(guī)模的人體器官上打印。并且它不僅限于膠原蛋白，因為包括纖維蛋白，藻酸鹽和透明質(zhì)酸在內(nèi)的各種其他軟凝膠可以使用FRESH技術(shù)進行3D生物打印，從而提供強大且適應(yīng)性強的組織工程平臺。重要的是，研究人員還開發(fā)了開源設(shè)計，幾乎任何人，從醫(yī)學(xué)實驗室到高中科學(xué)課程，都可以建立并獲得低成本，高性能的3D生物打印機。

展望未來，F(xiàn)RESH在再生醫(yī)學(xué)的許多方面都有應(yīng)用，從傷口修復(fù)到器官生物工程，但它只是一個不斷發(fā)展的生物制造領(lǐng)域的一部分。“真正我們所談?wù)摰氖羌夹g(shù)的融合，”費因伯格說。“不僅僅是我的實驗室在生物打印方面所做的工作，還包括干細胞科學(xué)，機器學(xué)習(xí)和計算機模擬領(lǐng)域的其他實驗室和小公司，以及新的3D生物打印硬件和軟件。”

“重要的是要了解有許多年的研究還有待完成，”費恩伯格補充說，“但是我們?nèi)匀粦?yīng)該感到非常興奮，我們正朝著工程功能性人體組織和器官的方向取得真正的進展，而這篇論文是一步到位沿著那條路走。“