全球3D打印心臟都到什么程度了？
 3D生物打印的器官，尤其是心臟，正逐漸成為現實。生物3D打印是將細胞、化合物和生物材料結合在一起，使用增材制造技術制造生物工程組織和結構。與傳統的FDM 3D打印不同，生物打印使用稱為bioink生物墨水的東西（有機和無機材料的混合物）來制作模型。可以想象，這項技術對醫療行業非常重要。它的主要用途是挽救數百萬需要替換器官或移植的患者的生命。每天都大量的人等待更換器官。

 

 

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3D打印心臟模型效果圖

 

 

更麻煩的是是，宿主對器官的可能產生排斥，需要再次更換。如果能夠使用患者自己的細胞進行3D打印人造器官，則可以幫助消除移植排斥問題和移植領域的器官缺陷。迄今為止，尚未成功制作或移植完整的3D生物打印心臟。但是，許多公司和研究小組一直在向功能齊全的3D打印心臟邁進。讓我們一起看看一些最有前途的項目。

 

 

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WFIRM：生物工程心臟組織

 

 

WFIRM開發了30多種不同的組織和器官（來源：維克森林醫學院）

 

WFIRM的主管Anthony Atala博士在3D生物打印領域是一個了不起的名字。幾年前，他的團隊進行了工程設計（未進行3D打印）并將膀胱移植到了活著的患者中。目前，該研究所開發了30多種不同的組織和器官。

 

2018年4月，WFIRM團隊發表了一篇論文，描述了他們如何使用大鼠心臟細胞3D生物打印功能性和收縮性心臟組織。這些細胞被懸浮在生物墨水中，并被打印成類似于人類心臟組織的結構。

 

他們能夠測試腎上腺素和卡巴膽堿等激素的作用，就像在生物體中一樣，這會導致打印的心臟組織中的心率發生預期的變化。

 

 

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WFIRM：3D打印模型心臟

 

 

2020年初，WFIRM宣布創建一個 微型人體 “模型”，其中包含不同的生物工程人體組織，這些組織將專門用于藥物測試。微小的類器官結構大約是成年人大小的百萬分之一，并且包括微型心臟組織。

 

Atala博士說，微型人體實驗室模型的最重要功能是“在開發的早期就確定一種藥物是否對人類有毒”，這對實驗藥物測試產生了巨大影響。

 

 

特拉維夫大學：微型心臟

 

2019年4月，特拉維夫大學分子細胞生物學與生物技術學院，宣布成功制作3D打印心臟的消息傳遍全球。

 

這是第一次使用人細胞對完全血管化的3D打印人心臟。盡管它是一個縮小的模型，但它是一項巨大的成就，向功能性人體器官生物打印邁出重要一步。

 

 

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微型心臟原理

 

 

技術原理：從實驗者的脂肪組織中提取人類細胞，然后將其改造成干細胞，然后將細胞分化為心臟中各種類型的心臟細胞。這些新的“心臟”細胞與無機材料混合，制成生物墨水，最終進行3D打印。

 

 

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技術原理示意圖

 

 

通過使用患者自己的細胞，可以消除任何排斥新生物工程器官。排斥反應是器官移植的一個主要問題，不幸的是，許多心臟接受者在手術后的第一年內就出現了癥狀。

 

TAU團隊的下一個挑戰是使這些分化的細胞成熟并使其發揮預期功能。領導研究團隊的Tal Dvir教授希望，在10年內，“世界上最好的醫院將配備器官3D打印機，并且可以正常為病人提供服務。”

 

 

哈佛劉易斯實驗室：新型生物打印技術

 

 

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去除了3D打印材料，留下了允許血液流動的通道

 

 

哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的劉易斯實驗室是生物打印領域的又一重要參與者，最近宣布了一項新技術，可以實現3D打印心臟。該實驗室由詹妮弗·劉易斯（Jennifer A. Lewis）教授領導。

 

技術原理：這種新的生物打印技術稱為SWIFT，是犧牲性寫入功能組織（sacrificial writing into functional tissue）的首字母縮寫。它將活細胞作為基質，將血管通道打印到其中。然后，通過加熱除去3D打印材料，留下應作為血管結構的通道，讓血液流過。

 

常規3D生物打印技術可與需要在生物反應器中成熟的細胞一起使用，以“存活”并獲得3D打印器官內所需的特定功能。這些技術中使用的生物墨水也缺乏人體組織的實際密度。SWIFT技術繞開了這兩個問題，因為它可以與已經以所需密度包裝的活細胞一起使用。

 

該研究小組成功地將3D打印的血管通道打印到了活心臟來源的細胞中，從而形成了像活心臟一樣跳動的心臟組織。組織保持存活并同步跳動7天，證明3D打印的血管通道可按預期發揮功能。

 

 

Biolife4D：微型心臟

 

 

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微型心臟

 

 

總部位于芝加哥的Biolife4D公司，目標是使用生物工程和3D打印技術，制造以移植為目的的人類心臟。

 

在2018年，他們成功地展示了人類心臟組織補丁的實際生物印記，這意味著組織具有血流并且可以像真正的心臟一樣收縮。這些心臟組織貼片可用于恢復急性心力衰竭患者的受損心臟部分。

 

技術原理：為了產生這些補丁，通過MRI機器獲取患者心臟的3D數字模型。然后，使用患者自己的心臟細胞，結合營養物質和其他生物材料，創建生物墨水。最后，組織補丁經過3D打印并在生物反應器中成熟，直到可以移植。

 

在2019年9月，他們宣布了另一個重大突破：成功的迷你心形3D打印機。他們聲稱，它使用自己的具有人類心臟特性的生物墨水制成，復制了人類心臟的許多特征。Biolife4D還改進了其生物打印算法，專門針對心臟3D打印進行了優化。

 

根據Biolife4D的說法，有了這個新的里程碑，只需“優化我們的工藝并擴大技術范圍”即可實現其最終目標：成功移植的全尺寸、功能性3D打印心臟。

 


ETH＆SAT：人工心臟瓣膜

 

 

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人工心臟瓣膜

 

 

這些3D打印心臟瓣膜可以替代實際患者中的滲漏或損壞的瓣膜。盡管未進行生物打印，但2017年，瑞士科技大學ETH Zurich的一組研究人員發表了一篇論文，描述了用有機硅3D打印的功能性跳動心臟。

 

他們與人類心臟的大小大致相同，并且具有相同的功能，它們的工作證明了我們正在迅速地實現無需移植就可以替代心臟的能力。

 

技術原理：就像真正的人類心臟一樣，這種硅膠打印體具有左右心室以及通過壓縮空氣驅動泵送動作的腔室。主要限制是3D打印的心臟只能持續大約30分鐘或3,000拍，然后材料會降解和減弱。

 

 

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3D打印心臟瓣膜打印過程

 

 

在2019年，同一研究小組與南非公司Strait Access Technologies合作開發了人造3D打印心臟瓣膜，可替代真實患者中的滲漏或損壞的瓣膜。這些部件以與身體兼容的材料進行3D打印，并提供與常規更換閥相同的血流功能。

 

盡管已經存在用于移植的人造心臟瓣膜，但瑞士研究人員開發的人造心臟瓣膜的針對每個患者量身定制的。得益于MRI和CT成像，每個閥門都可以專門設計以實現完美的配合。