《3D打印商情》獲悉，science近日發(fā)表了一篇題為《3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart》的論文（論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482），論文顯示，由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Andrew Lee博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種大規(guī)模生產(chǎn)膠原蛋白3D打印解剖結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。
膠原蛋白在我們的人體中特別有用，因?yàn)樗俏覀冊(cè)S多組織的主要組成部分。該蛋白質(zhì)是各種組織中細(xì)胞外基質(zhì)的關(guān)鍵組分，也廣泛用于工程研究。
但是它在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用一直受到包括組織保真度差和打印分辨率低等技術(shù)限制的阻礙。由于這些限制，在該領(lǐng)域中打印諸如膠原蛋白或活細(xì)胞，一直是困難的事情。這也是為什么由Andrew Lee領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)新研究特別有趣的原因。
研究人員開(kāi)發(fā)了一種名為“FRESH”的方法，來(lái)3D打印復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，如心臟或心臟的一部分，它是由膠原蛋白制成的。
這是3D打印膠原蛋白復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的新方式，他們制造的心臟結(jié)構(gòu)和組織與人類(lèi)心臟的形態(tài)和功能非常相似。
它利用酸度的快速變化，使擠出的膠原蛋白固化，并進(jìn)行精確控制。
FRESH 3D打印機(jī)。
什么是FRESH？
研究小組在2015年創(chuàng)建了所謂的FRESH方法。從那時(shí)起，他們就開(kāi)始研究這種方法，改進(jìn)和琢磨其參數(shù)。
現(xiàn)在，他們重新創(chuàng)造了FRESH的升級(jí)版本，它被稱(chēng)為“自由形式可逆嵌入懸浮水凝膠”。由于這有點(diǎn)拗口，因此更常用的是簡(jiǎn)單的FRESH v2.0版本。
美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Lee博士說(shuō)：“我們提出了一種3D生物打印膠原蛋白的方法，使用懸浮水凝膠（FRESH）的自由形式可逆嵌入來(lái)設(shè)計(jì)人體心臟的各個(gè)部位，從毛細(xì)血管到整個(gè)器官?！?/span>
“我們發(fā)現(xiàn)FRESH 3D生物打印的心臟能夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)患者特異性的解剖結(jié)構(gòu)，這是由微型計(jì)算機(jī)斷層掃描確定的?！?/span>
Andrew Lee博士補(bǔ)充說(shuō)：“FRESH打印的膠原蛋白是一個(gè)平臺(tái)，可以為各種器官系統(tǒng)建立先進(jìn)的組織支架?！?/span>
FRESH如何運(yùn)作？
它利用pH值的快速變化來(lái)制造擠出的膠原蛋白，并通過(guò)精確控制來(lái)固化它。
支撐床由熱可逆的粘性明膠漿料組成，為打印噴嘴提供柔性支撐。
噴嘴可以容易地穿透支撐床而不會(huì)遇到阻力并且將打印的水凝膠結(jié)構(gòu)保持在適當(dāng)?shù)奈恢枚粫?huì)使其塌陷。
打印后，僅通過(guò)加熱至37℃將水凝膠從載體上釋放，這使載體熔化。
結(jié)果是成功地從膠原水凝膠中以20mm的分辨率打印了人類(lèi)心臟的部分，這超過(guò)了用其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)的100至500mm的分辨率。
Andrew Lee介紹，該方法能夠產(chǎn)生復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能組織結(jié)構(gòu)，其又可以嵌入活細(xì)胞或復(fù)雜的脈管系統(tǒng)，其分辨率小至10微米。
Lee和他的團(tuán)隊(duì)使用這種方法通過(guò)3D打印機(jī)創(chuàng)建完全由膠原蛋白和人體細(xì)胞制成的人體心臟部分。它們甚至包括心臟組織、心室和新生兒心臟。
據(jù)作者稱(chēng)，他們生物打印的心臟準(zhǔn)確地再現(xiàn)了解剖結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)反映了患者M(jìn)RI（磁共振成像）掃描中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。打印的人體心肌細(xì)胞的成分可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的收縮功能。
但是，Andrew Lee也表示：“仍有許多挑戰(zhàn)需要克服，例如生成3D生物打印大型組織所需的數(shù)十億個(gè)細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)制造規(guī)模，以及創(chuàng)建臨床的監(jiān)管程序……”
“盡管尚未實(shí)現(xiàn)全功能器官的3D生物打印，但我們現(xiàn)在能夠構(gòu)建重現(xiàn)天然組織的結(jié)構(gòu)、機(jī)械和生物特性的構(gòu)建體?！?/span>
美國(guó)塔夫茨大學(xué)的Queeny Dasgupta博士沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他說(shuō)這對(duì)未來(lái)有“前所未有的希望”。Dasgupta博士說(shuō)，盡管面臨挑戰(zhàn)，它帶來(lái)了“從計(jì)算機(jī)生成的模型創(chuàng)建功能性器官和組織的前景，從而使按需器官打印更接近現(xiàn)實(shí)。”
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