卡内基梅隆大学3D打印出人体心脏，用Fresh技术来重构建胶原成分

在美国，超过4000名患者正在等待心脏移植，而全世界还有数百万人需要心脏但未能有机会获得心脏移植。让人痛心的是，很多人都是在等待心脏移植受体的过程中去世的。那么，能不能使用近年来十分火热的3D打印技术来打印出一个人工心脏呢？美国科学家给了我们一个乐观的答案。9名来自美国卡内基梅隆大学的生物医学工程学院的科学家，研究旨在通过融合3D打印技术与一种被称为FRESH的生物科学技术来重新构建人体心脏的胶原成分。

3D打印机

在历史上，3D打印技术最早出现在20世纪90年代中期，它与普通打印的工作原理基本相同，只不过3D打印机与普通打印机内装有不同的打印材料，在与电脑连接后，通过电脑的程序控制把这些打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上描绘的蓝图变成实物。

3D打印技术的经历了如下历史进程：

1986年，美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。

2010年11月，美国Jim Kor团队打造出世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee。

2011年6月，全球第一款3D打印的比基尼发布。

2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印飞机。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2018年12月，俄罗斯宇航员利用国际空间站上的3D生物打印机，在零重力下打印出了实验鼠的甲状腺。

可以看出，在3D打印提出的前几年，科学家们都在致力于使用3D打印技术打印汽车、飞机等物品，而最近几年，很多科学家正在逐渐将3D打印技术的研究兴趣转移到医学上来。本期所要介绍的一个研究便是通过3D打印技术“打印”出一颗人工心脏的原理！

Science刊文

8月2日，著名的权威科学期刊《Science》在线发表了一篇以3D打印为主题的研究论文，该论文题目为《3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart》，作者是9名来自美国卡内基梅隆大学的生物医学工程学院的科学家，研究旨在通过融合3D打印技术与一种被称为FRESH的生物科学技术来重新构建人体心脏的胶原成分。

这项被称为自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶（Fresh）的技术，使研究人员能够克服与现有3D生物打印方法相关的许多挑战，并使用软质和生物材料实现前所未有的分辨率和逼真度。

FRESH技术

那么，什么是FRESH技术呢？人体的每一个器官，如心脏，都是由一种特殊的细胞构成的，这些细胞由一种称为细胞外基质的生物支架连接在一起，这种生物支架提供了细胞执行正常功能所需的结构和生化信号。然而，到目前为止，传统的生物科学制造方法（包括3D生物打印技术）并不能重建这种复杂的细胞外基质结构，于是，科学家们尝试研究出了一种FRESH技术。

实际上，FRESHE技术的全称为：自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶技术，这些技术使得研究人员能够克服一些传统的3D生物打印方法所不能解决的难题，例如，成功构建细胞外基质结构的问题，除此之外，FRESH技术所涉及的软质和生物材料可以帮助研究人员实现对打印出的材料达到前所未有的分辨率和逼真度。

另外，胶原蛋白是人体细胞外基质的主要成分，它也是人体心脏的主要成分。实际上，胶原蛋白占据了人体中的每一个组织，所以，这种胶原蛋白对于3D打印出一个完整人体心脏来说十分重要。为了制造能够复制组织和器官结构和功能的胶原蛋白支架，研究人员提出了一种三维生物打印胶原蛋白的方法，并结合FRESH技术设计出从毛细血管到完整器官的不同比例的人体心脏成分。

在与FRESH技术相结合的新3D生物打印方法中，胶原蛋白在凝胶的支持下逐层沉积，使胶原蛋白固化到位。之后，将温度从室温提升到人体温度来对凝胶进行加热后，打印就完成了。通过这种方式，研究人员可以移除凝胶而不破坏由胶原蛋白或细胞制成的印刷结构。

下图显示出了3D生物打印心脏的一些细节。

研究发现

研究人员在实验中所打印出的新鲜的3D生物打印心脏可以精确复制出计算机断层扫描的解剖结构，而且，在心脏收缩峰值期间，3D打印的人工心脏的心室也会出现同步收缩、定向动作电位传播的现象，而心脏的室壁增厚达到14%。

具体来说，科学家们将心脏细胞和胶原蛋白通过FRESH技术打印成真正起作用的部分，比如，心脏瓣膜或跳动心室。

作者认为，文中所使用的与FRESH技术结合的3D打印方法对于3D生物打印技术发展来说是十分有意义的，因为它可以在人体器官的范围内打印胶原支架。此外，这项新技术还可以对多种软凝胶（包括纤维蛋白、海藻酸钠和透明质酸等）进行3D生物打印。就再生医学而言，FRESH技术在从伤口修复到器官生物工程方面也有着比较广泛的应用。

值得注意的是，作者还开发了源代码，所以几乎任何人都可以尝试按照文章的方法建造类似的低成本、高性能的3D生物打印机！

尽管3D生物打印的人工心脏在临床医学上还需要相当一段时间的发展，但是我们仿佛已经看到了未来3D心脏移植的新的曙光！

关于卡内基梅隆大学

美国卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University），简称CMU，坐落在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡(Pittsburgh)，是一所拥有13,600名在校学生和1,423名教职及科研人员的世界著名学府。