人工合成心脏:科学家使用3D打印技术复制胶原蛋白,成功生成心脏

时间:2021-03-08 22:00       来源: 物理学极客
  对于人体器官,胶原蛋白是人体大多数组织和器官的主要成分,而被称为“细胞外基质”(ECM)的组织也是非常重要的,但事实证明在实验室中是很难使用3D打印来生产。
 
人工合成心脏:科学家使用3D打印技术复制胶原蛋白,成功生成心脏
 
  由美国匹兹堡卡内基梅隆大学的一组研究人员现已开发出一种新技术,该技术利用支持凝胶对含有胶原蛋白的3D打印心脏组织进行处理。这种被称为FRESH(用于悬浮水凝胶的自由形式可逆嵌入)的方法可以产生从毛细管到整个器官的各种规模化的心脏部分。当使用人类心肌细胞制造时,这种结构甚至会收缩。
 
人工合成心脏:科学家使用3D打印技术复制胶原蛋白,成功生成心脏
 
  该蛋白质网络可以提供各种细胞执行正常功能所需的结构和生化信号。 出乎意料的是传统的生物制造方法无法重建复杂的ECM架构, 都是过去进行3D生物打印的前提条件。
 
  团队开发出的新技术正好能够解决这项问题。FRESH 让胶原蛋白可以逐层沉积在凝胶支架中留待固化。在列印完成后,透过将凝胶从室温加热到体温,研究人员可以熔化去除用来支撑的凝胶,而不会损坏由胶原蛋白或细胞构成的印刷结构。
 
  不仅限于胶原蛋白,包括纤维蛋白、藻酸盐和透明质酸在内的各种软凝胶也可以使用 FRESH 技术进行 3D 生物列印,研究人员还开发了开源设计,让从医学实验室到高中科学课程的任何人都可以建立并获得低成本、高性能的 3D 生物列印机。
 
  3D生物打印可生成胶原蛋白以重建心脏
 
人工合成心脏:科学家使用3D打印技术复制胶原蛋白,成功生成心脏
 
  一种3D生物打印胶原蛋白的技术,可制造人心脏的全部功能组件。
 
  尽管3D打印(也称为增材制造)自1980年代开始出现,但直到最近的二十年,研究人员才使用3D打印来制造用于再生医学的生物细胞和结构。
 
  该技术最近随着图案化组织的制造,可以注入活细胞和营养物的血管样网络以及可植入支架的发展而突飞猛进。
 
  如何打印出柔软的胶原蛋白
 
  印刷活细胞和诸如细胞外基质(ECM)蛋白之类的软生物材料(如胶原蛋白)一直很困难。“这是因为细胞和组织柔软而多汁,这意味着要在不塌陷的情况下进行3D打印几乎是不可能的,到目前为止3D生物打印通常仅限于非常薄和很小的支架。
 
人工合成心脏:科学家使用3D打印技术复制胶原蛋白,成功生成心脏
 
  我们通过在“支持”凝胶内进行3D生物打印解决了这个问题,凝胶可防止细胞和水凝胶(类似于明胶)倒塌。”
 
  利用既有的技术,研究人员能够3D打印胶原蛋白(胶原蛋白是人体中的主要结构蛋白),与我们能够轻松地3D打印塑料,金属和其他材料一样。“能够做到这一点意味着我们现在可以打印出具有生物学功能的支架和组织,”
 
  全新改良的FRESH技术支架提供了支撑
 
  该团队于2015年首次提出其FRESH技术,现已开发出一种新的改进版本,该版本利用pH的快速变化来自组装胶原蛋白并迫使其固化。
 
  该方法的工作原理是在3D打印机中从针头挤出含有未修饰胶原蛋白的生物墨水,该墨水包含由明胶微粒浆液组成的特殊支撑液,该悬浮液在打印过程中提供支撑。
 
  针头挤出胶原蛋白和细胞的薄层,然后将这些层堆叠在一起以创建3D对象。打印完成后,研究人员将温度从室温升至体温(37°C),这将使支撑物缓慢融化并释放出已打印的支架。
 
人工合成心脏:科学家使用3D打印技术复制胶原蛋白,成功生成心脏
 
  研究人员说,技术可以产生具有功能结构的复杂结构,该结构可以进一步嵌入到活细胞或复杂的类血管网络中,打印分辨率可达20微米。
 
  使用人的心肌细胞打印出的心室能够同步收缩并在特定方向上传播动作电位,就像真实的心脏一样。
 
  在称为峰值收缩期的心跳阶段,心脏壁也会增厚多达14%-再次类似于真实器官。
 
  特定于患者的解剖结构
 
  对出于研究而言,我们还可以创建为患者特定的解剖结构,当我们从患者整个心脏或只是心脏瓣膜等成分的磁共振成像(MRI)或微型计算机断层扫描(CT)图像开始
 
  这使我们能够创建与患者匹配的3D计算机模型。然后我们会使用计算机将心脏瓣膜的3D模型转换为告诉3D打印机该怎么做的动作指令。
 
  目前没有其他方法可以对FRESH实现具有分辨率和逼真度的3D生物打印胶原蛋白进行3D打印。
 
  重要的是该技术还可以使用未经修饰的胶原蛋白,这意味着我们可以印刷纯胶原蛋白,并利用pH的变化将液态胶原蛋白转变成凝胶。其他能够打印胶原蛋白的方法通常需要化学修饰胶原蛋白或将其与其他材料混合以提高可印刷性。”
 
人工合成心脏:科学家使用3D打印技术复制胶原蛋白,成功生成心脏
 
  在组织工程和再生医学中有着广泛的应用
 
  目前研究人员正在专注于构建心脏及其组成部分。真正令人兴奋的是胶原蛋白是人体几乎所有组织和器官中的主要蛋白质,在组织工程和再生医学中具有广泛的应用。
 
  有研究组织还为FRESH开发了定制的生物打印机,并将设计作为开源硬件发布,还希望研究界能够广泛地采用。有望在未来几年中导致针对多种疾病的新研究和最终治疗。
 
  该研究小组还表示现在正忙于继续建立更复杂的心脏细胞模型-最初了解心肌的形成和功能,而且还希望长期替换心脏受损区域。
 
  使用3D增材打印技术来复制心脏器官无论是对于治疗还是器官移植仅仅只是开始,而在人体的其他部位进行的3D打印复制克服种种困难才是这项技术走向成熟的一刻,包括建立胶原蛋白支架来修复受损的骨骼肌,使气管和其他组织再生、复制乳腺细胞改善乳腺癌的治疗等还待科学家进一步的扩展。
 
  如果某一天国家发达到一定程度处于为民生着想而不是经济效益,癌症不可治疗也可能会变得不再可怕,那才是我未来美好生活的通行证。
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