一种史无前例的技术方法,它使得组织工程学向着3D打印出全尺寸的成人心脏又迈进了一大步。卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的研究人员于8月2日在Science杂志上发表了一篇论文,介绍了一种新的、采用胶原蛋白来3D生物打印出人体组织结构的技术。其中所使用的打印材料胶原蛋白,正是人体的主要结构蛋白。
在该研究中,论文的第一作者Andrew Lee和他的同事,采用心肌细胞和胶原蛋白双材料的打印策略,打印出一个左心室模型,并进一步分析了该模型的功能,观察到了心率失常相关的电生理行为和心室收缩现象。他们甚至进一步打印出相当于新生儿的人体心脏胶原模型,证明了FRESH2.0打印大型结构的能力。
这项技术被其研究团队称为“悬浮水凝胶的自由可逆嵌入”(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels,FRESH),该技术的发现帮助研究人员克服了现有3D生物打印技术涉及的诸多问题,并利用“柔软而有生命”的活体材料,让打印出的组织结构达到前所未有的分辨率和保真度。
最早在2000年前后,3D生物打印这一技术概念由美国几所大学的教授提出;至2003年,Mironv V和Boland T在Trends in Biotechnology杂志系统地提出了“器官3D打印”这一概念。尽管3D打印技术的潜力巨大,但受限于生物组织的保真度差、打印的分辨率低等技术限制,3D打印技术在生物医学领域的广泛应用受到了极大掣肘。特别是用活细胞打印和制造胶原蛋白等软质生物材料,这两个被寄予厚望的研究目标一直举步维艰。
如今,这项最新研究突破了这一技术瓶颈。Andrew Lee在2015年第一次提出该方法(FRESH),经过了4年多的不断改良和研发,到了FRESHv2.0版本,3D生物打印技术利用pH值的快速变化,可使挤压出的胶原蛋白凝固,并实现精确控制。
FRESHv2.0的3D生物打印技术可以创建出拥有复杂功能的组织结构,并能将其进一步嵌入活细胞或复杂的血管系统中,其打印分辨率可达10μm。Lee和他的同事用这种方法,可以完全依靠胶原蛋白和人体细胞来制造出人类心脏的各个部分,包括心脏组织、收缩心室,甚至是新生儿尺寸的心脏。