3D打印的人类心脏可实现部分心脏功能

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。

3D 打印是一种以数字模型为基础，采用各自不同的材料，通过逐层叠加的方式来构造物体的技术。技术出现伊始，常用于模具制造、工业设计等领域，后逐渐用于一些产品的直接制造。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 FRESH v2.0 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。

FRESH v2.0 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 10 μm 。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。

人体的每一个器官，都是由一种叫做细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的生物支架，将各种特殊的细胞组成在一起的。这种 ECM 蛋白网络可以提供人体细胞正常功能运转所需的结构和生化信号。这个 ECM 架构如此复杂，以至到目前为止，研究人员还没有发现任何使用传统的生物制造方法来重建的可能。传统方法遇阻，很多科研人员都转向 3D 生物打印的研究，以期获得突破。

对于 3D 生物打印领域来说，相比于之前采用其他材料做出的突破， FRESH 技术的发现是真正令人感到兴奋的。因为它可以用胶原支架打印出大规模的人体器官。在今年 4 月，以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）的研究团队采用人体组织首次 3D 打印出了一颗心脏，而在此之前，人们所打印出的心脏通常采用的都是人工材料。

特拉维夫大学的研究团队所打印出的这颗心脏是一个微缩模型，仅有樱桃大小（相当于兔子的心脏），虽然是带有血管和细胞的完整心脏，但并不能统一地收缩和舒张，不具备泵血功能。而且从器官体积来看，如果想达到打印出人类心脏大小的程度，实际还需要长期的研究。

对于 FRESH 技术，其不仅限于胶原蛋白的 3D 打印，纤维蛋白、藻酸盐、透明质酸等多种软性凝胶均可采用该技术来实现 3D 打印，这就为组织工程学提供了一个强大的、适用性广泛的平台。另外很关键的一点是，研究人员同时开发了数字建模的开源设计，这样可以让任何人——不论是在医学实验室的研究人员，还是在高中大学校园里的学生——都可以用较低的成本构建出自己的高性能 3D 生物打印机。

着眼于未来， FRESH 技术在再生医学领域的许多方面都能得以应用，从伤口修复到器官生物工程，横跨多个方向。在美国，目前有 4000 多名患者正在排队等待心脏移植，而世界范围内，则更是有数百万人需要心脏，但却没有资格进入等候名单。所以市场对替代器官的需求是相当大的，需要有新的方法来修复、补充或者制造出能长期替代器官功能的人造器官。

2018 年，卡内基梅隆大学的再生生物材料和治疗集团利用 FRESH 技术创立了 FLuidForm 公司，并与开源 3D 打印机制造商 Aleph Objects 合作，携手进入 3D 生物打印市场。对 Aleph Objects 的 CEO 兼总裁 Grant Flaharty 来说，这项合作让他们成为未来 8~9 年内预计将增长到近 20 亿美元的新市场的一部分。