《Nature Materials》：科學(xué)家定制纖維復(fù)合凝膠墨水，可3D 打印出仿生心臟模型

導(dǎo)讀：在過去十年間，生物組織工程領(lǐng)域取得了許多引人矚目的成果。如今，科學(xué)家們將目光轉(zhuǎn)向3D 打印心臟組織，深入研究如何對抗心臟病，根據(jù)個(gè)體患者的獨(dú)特需求定制治療方案，甚至設(shè)想有一天可能通過外植入物修復(fù)或替換患者心臟的受損部分。

2023年8月1日，南極熊獲悉，在哈佛大學(xué) John A. Paulson 工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)具有里程碑意義的研究中，研究人員開發(fā)了一種新方法來 3D 打印模仿人類心臟跳動(dòng)的生物結(jié)構(gòu)。得益于將水凝膠與預(yù)制明膠纖維相結(jié)合的纖維注入凝膠 (FIG) 墨水，他們可以精確打印心室的 3D 模型，而無需額外的支撐材料。

這項(xiàng)研究的詳細(xì)信息以題為“Fibre-infused gel scaffoldsguide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles”的論文被發(fā)表在《自然材料》上，由Suji Choi, Keel Yong Lee等人聯(lián)合撰寫。。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01611-3

論文指出，在 3D 打印過程中，纖維會(huì)以一種類似于實(shí)際心臟組織的模式排列，這對于心臟細(xì)胞（心肌細(xì)胞）是有利的。因此，打印的心臟模型表現(xiàn)出與真實(shí)心臟相似的特性，例如它們?nèi)绾螌?dǎo)電和收縮。未來，這項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)一步調(diào)整，以創(chuàng)建更復(fù)雜、更實(shí)用的心臟模型。

這項(xiàng)工作的意義在于，它引入了一種3D打印心臟組織的新穎方法，更接近于復(fù)制真實(shí)心臟的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能。通過在水凝膠中添加明膠纖維，研究團(tuán)隊(duì)可以創(chuàng)建更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的心臟模型。這在醫(yī)學(xué)研究、藥物測試以及可能的未來治療中具有潛在的應(yīng)用。研究小組表示，該方法仍有改進(jìn)的空間，進(jìn)一步的研究將嘗試增強(qiáng)其能力，包括引入多種細(xì)胞類型或更好地模擬血管。

SEAS 的研究員、該論文的第一作者Suji Choi 指出了他們在努力復(fù)制器官結(jié)構(gòu)用于藥物測試時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)：“人們一直在嘗試復(fù)制器官結(jié)構(gòu)和功能來測試藥物的安全性和有效性，以此來預(yù)測臨床環(huán)境中可能發(fā)生的情況。但到目前為止，僅靠 3D 打印技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞的生理相關(guān)排列，心肌細(xì)胞負(fù)責(zé)以協(xié)調(diào)的方式傳輸電信號以收縮心肌�！�

此外，這項(xiàng)研究的關(guān)鍵之處在于纖維與可打印墨水的融合，無需外部支撐即可創(chuàng)建復(fù)雜的 3D 形狀。

Choi 解釋道：“FIG 墨水能夠流過打印噴嘴，但一旦打印出結(jié)構(gòu)，它就會(huì)保持其 3D 形狀。由于這些特性，我發(fā)現(xiàn)可以打印類似心室的結(jié)構(gòu)和其他復(fù)雜的 3D 形狀，而無需使用額外的支撐材料或支架�！�

FIG墨水的起源是各種思想的交匯。博士后研究員 Luke MacQueen 建議將通過新型旋轉(zhuǎn)噴射紡絲技術(shù)制成的纖維與墨水混合。這種方法比傳統(tǒng)的靜電紡絲技術(shù)要好得多，可以保留可能在電場中降解的蛋白質(zhì)。

△墨水成分示意圖如圖所示。圖片由《自然材料》期刊提供

在正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，Choi 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對這些 3D 打印結(jié)構(gòu)施加電刺激時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生模仿真實(shí)心室節(jié)律的協(xié)調(diào)收縮波。該團(tuán)隊(duì)聲稱，他們立即就看到了該技術(shù)的潛力：心室能夠泵送比以前模型多 5 至 20 倍的液體量。

該論文的資深作者、塔爾家族生物工程和應(yīng)用物理學(xué)教授、SEAS 疾病生物物理學(xué)小組負(fù)責(zé)人凱文·“基特”·帕克 (Kevin“Kit” Parker) 說道：“我們啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目是為了解決生物組織 3D 打印的一些不足之處。當(dāng) Luke 提出這個(gè)概念時(shí)，他的愿景是通過將打印精度降低至納米尺度，擴(kuò)大 3D 打印機(jī)可打印的空間尺度范圍。通過旋轉(zhuǎn)噴射紡絲而不是靜電紡絲生產(chǎn)纖維的優(yōu)點(diǎn)是，我們可以使用會(huì)被靜電紡絲電場降解的蛋白質(zhì)材料。”

盡管團(tuán)隊(duì)承認(rèn)原型的局限性，但他們看到了巨大的潛力。事實(shí)上，人們已經(jīng)在努力設(shè)計(jì)更逼真的心臟組織，并且人們對使用這種方法構(gòu)建更復(fù)雜的心臟結(jié)構(gòu)（如心臟瓣膜和雙腔迷你心臟）持樂觀態(tài)度。此外，帕克還強(qiáng)調(diào)了該團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)用于再生療法的人體組織。

近年來，生物工程領(lǐng)域還涌現(xiàn)了許多其他值得關(guān)注的努力。例如，特拉維夫大學(xué)的研究人員在2019 年利用患者細(xì)胞3D 打印心臟貼片，實(shí)現(xiàn)了包含血管和心室的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而引起了轟動(dòng)。同樣，明尼蘇達(dá)大學(xué)2017 年的一項(xiàng)舉措依靠定制 3D 打印機(jī)制作栩栩如生的人造心臟模型，展示現(xiàn)在可以復(fù)制的復(fù)雜解剖細(xì)節(jié)。然而，哈佛大學(xué)研究人員描述的新方法是獨(dú)一無二的。該項(xiàng)目得到了眾多受人尊敬的機(jī)構(gòu)的大力支持，包括美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF) 和美國國立衛(wèi)生研究院(NIH) 的哈佛海洋工程學(xué)院(Harvard SEAS) 認(rèn)為生物工程的未來一片光明。