3D打印膠原構(gòu)建人體心臟組織

供稿人:陳鵬宇 賀健康

導(dǎo)讀：膠原是人體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分，其具有優(yōu)異的生物學(xué)性能，但受到其強(qiáng)度的限制，使用現(xiàn)有的3D打印方法很難制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組織或器官。

近日，來自美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者們開發(fā)出一種自由可逆嵌懸浮水凝膠打印方法(FRESH)，這種方法能從毛細(xì)血管到器官尺度精確的制造人體心臟部件。通過該方法能制造20微米精度的可灌流的多尺度血管結(jié)構(gòu)以及三葉瓣膜結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明所制造的心臟制造能夠準(zhǔn)確重現(xiàn)病人的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，并且所打印的心室表現(xiàn)出了同步的收縮特性。該研究結(jié)果發(fā)表在《science》期刊上。

圖1 FRESH打印工藝

圖1表明了該打印工藝的原理。由于膠原強(qiáng)度很低，為了制造出復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，采用了明膠顆粒來支撐膠原結(jié)構(gòu)，研究者們對(duì)明膠顆粒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)采用較均一的明膠微球能提高制造精度與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，膠原纖維最細(xì)能達(dá)到20um。打印完畢后，加熱到37度，膠原成膠，明膠變?yōu)橐簯B(tài)，最終得到預(yù)期的膠原三維結(jié)構(gòu)。

圖2 使用膠原制造的冠狀動(dòng)脈模型

研究者在成熟的工藝方法基礎(chǔ)上制造了如圖2的各種心臟結(jié)構(gòu)。首先打印了冠狀動(dòng)脈模型，在動(dòng)脈填充了含有C2C12細(xì)胞的膠原，分別在靜態(tài)/動(dòng)態(tài)條件下培養(yǎng)五天后發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)培養(yǎng)情況下細(xì)胞的存活率明顯高于靜態(tài)培養(yǎng)，驗(yàn)證了所制造的動(dòng)脈結(jié)構(gòu)的營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸功能。此外，研究者還制造了直徑為28毫米的心臟三葉瓣膜結(jié)構(gòu)，通過microCT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)所制造的結(jié)構(gòu)與所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)保持了高度一致，將該瓣膜進(jìn)行灌流實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其回流小于15%，開口面積達(dá)到19.5%，其抗壓能達(dá)到40mmHg，性能優(yōu)異。為了實(shí)現(xiàn)心臟結(jié)構(gòu)的制造，研究者們通過MRI數(shù)據(jù)，制造了具有解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的部分心臟結(jié)構(gòu)，其中含有可灌流的多尺度血管網(wǎng)絡(luò)，能與人體的真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)高度對(duì)應(yīng)。

圖3 基于MRI數(shù)據(jù)制造的新生兒心臟

通過對(duì)完整心臟進(jìn)行MRI掃描得到三維數(shù)據(jù)，并對(duì)整個(gè)打印過程的路徑、填充方式進(jìn)行優(yōu)化后，研究者最終成功制造了大小為55mmX37mm的完整新生兒心臟。

該研究提出了一種開創(chuàng)性的膠原打印方法，該方法可靠性高、打印精度高，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)制造。雖然要制造出具有功能的完整器官還有很長(zhǎng)的路要走，但該研究成功提出了一種能完全模擬心臟結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及生物性能的制造方法，為生物3D打印領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：
Lee, A.; Hudson, A. R.; Shiwarski, D. J.; Tashman, J. W.; Hinton, T. J.; Yerneni, S.; Bliley, J. M.; Campbell, P. G.; Feinberg, A. W., 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science 2019, 365 (6452), 482-+.

供稿人:陳鵬宇 賀健康 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室