血管化人工心脏再突破,看Science 杂志揭示的最新心脏重建3D打印技术

构建内含血管通道的功能性心肌组织,一直是心肌组织工程的难点。不过根据3D科学谷的市场观察,2019以来,有关通过生物3D打印技术实现血管化人工心脏的突破性科研成果陆续被报道。

其中一次是4月份以色列特拉维夫大学公布的科研成果,他们打印出了一颗可以收缩的微缩版人造心脏,这颗心脏具有细胞、血管、心室、心房。刊登于8月份Sicence 杂志的论文“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”则揭示了3D打印人工心脏的最新科研成果。

block 从毛细血管到全器官

胶原蛋白是人体细胞外基质的主要成分, 在细胞质基质中起着维持细胞结构、提供粘附、传导信号等作用,是作为 “支架” 的理想材料,但制造能够复制组织和器官的结构和功能的胶原支架具有挑战性。

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通过FRESH 技术进行胶原蛋白的高分辨率打印,来源:Science

发表论文的研究团队来自于卡内基梅隆大学,他们开发了一种生物3D胶原蛋白技术,可以构造出从毛细血管到整个器官的各种尺度的人类心脏全功能部件。这种3D打印技术又被称为悬浮水凝胶自由可逆嵌入(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels, FRESH)。

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促进体内微血管化的胶原血管和微孔胶原支架,来源:Science

研究团队利用这一打印技术,采用心肌细胞和胶原蛋白双材料的印刷策略,打印出了一个左心室模型,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。

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收缩性3D打印人工心室,来源:Science

研究人员改良了生物材料在水凝胶中的组装机制——利用酸碱度变化驱动生物材料的自组装,与传统的热驱动相比,酸碱度驱动组装解决了传统水凝胶柔软、支持力度不够的问题,允许使用更强浓度的胶原作为墨水从而增强机械性能,更有利于复杂结构的制造。

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三叶心脏瓣膜、多尺度脉管系统和新生儿尺度的心脏,来源:Science

研究团队还改良了凝胶微粒的生产工艺,减少了凝胶微粒的直径和分散程度,并且将凝胶微粒形状调整成了均匀球状形态,从而将印刷的分辨率提升了一个数量级。这两项改进实现了在水凝胶中印刷精准胶原蛋白。

在动物试验中,研究团队将3D打印对象植入小鼠皮下,结果显示其能够生成完整的血管网。

研究团队还通过这一技术打印出了具有收缩能力的左心室和能够承载生理压力的三尖瓣,这表明胶原结构在人体中的机械完整性。他们通过灌注,验证了血管网的畅通性。最后研究团队打印出新生儿比例的人体心脏胶原模型,由此证明 FRESH打印技术实现“大型”结构能力。

通过这一技术能够构建重现天然心脏组织的关键结构、机械和生物特性,但研究团队也表示通过该技术实现具有生理功能性的人工心脏仍面临诸多挑战。

参考来源:

雪球网、细胞

A. Lee el al. 3D printing of collagen to rebuild components of the human heart. Science, 2019, doi:10.1126/science.aav9051.

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