注入纖維的墨水使3D打印心肌能夠跳動(dòng)

導(dǎo)讀：心臟病在全球是一個(gè)主要的死因之一。美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心（CDC）表示，心血管疾病在美國(guó)發(fā)病率極高，每33秒就有一人死于心血管疾病。2021年，心血管疾病造成的死亡人數(shù)約占總數(shù)的五分之一，達(dá)到約69.5萬(wàn)人。因此，對(duì)心臟病的治療研究變得尤為迫切。

△使用注入了纖維的墨水進(jìn)行3D打印，成功模擬了心肌的跳動(dòng)

2023年8月14日，南極熊獲悉，哈佛大學(xué)的科學(xué)家在生物打印領(lǐng)域取得了重大突破。該團(tuán)隊(duì)宣稱，通過(guò)將特殊纖維注入墨水，成功地3D打印出一個(gè)能夠模仿人類心臟跳動(dòng)的功能性心室。

這項(xiàng)技術(shù)的核心是注入明膠纖維的水凝膠。使用旋轉(zhuǎn)噴射紡絲技術(shù)生產(chǎn)出一片紡絲纖維，然后將其切割成微米尺寸的纖維，然后分散到水凝膠中。打印出所需的結(jié)構(gòu)后（考慮到纖維排列），發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞（負(fù)責(zé)在心肌中攜帶收縮信號(hào)的細(xì)胞）沿著如此布置的圖案排列，最終形成能夠有組織收縮的心肌。

該技術(shù)的關(guān)鍵信息
●研究人員創(chuàng)造了一種新型水凝膠墨水，能夠用于實(shí)現(xiàn)功能性心室的3D打印。
●關(guān)鍵是在可打印油墨中添加明膠纖維。
●該研究小組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制心肌細(xì)胞的打印方向，他們還能夠控制心肌細(xì)胞的排列方式。

△在另一個(gè)項(xiàng)目中，哈佛大學(xué)研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)的合成心臟瓣膜

3D打印與生物醫(yī)療發(fā)展

這并不是生物打印首次用于器官制造。由于器官捐贈(zèng)的短缺，每天至少有17人在等待器官移植時(shí)喪生，盡管2022年發(fā)生了超過(guò)42萬(wàn)例器官移植手術(shù)。為了解決這一挑戰(zhàn)，生物打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它可以使用真實(shí)的細(xì)胞打印出活體器官部件。盡管研究仍在不斷進(jìn)行中，但其可行性仍然存在一定難題。然而，通過(guò)成功地創(chuàng)建具有真實(shí)跳動(dòng)功能的心臟組織，我們不僅可以制造用于研究的3D打印組織，還可能邁向能夠打印整個(gè)功能性心臟器官的新階段。

SEAS研究員、論文第一作者Suji Choi解釋道：“人們一直試圖復(fù)制器官的結(jié)構(gòu)和功能，以測(cè)試藥物的安全性和有效性，從而預(yù)測(cè)可能在臨床環(huán)境中出現(xiàn)的情況。這種特殊的墨水可以流經(jīng)打印噴嘴，但一旦打印出結(jié)構(gòu)，它將保持其3D形狀。正因?yàn)檫@些特性，我發(fā)現(xiàn)我們可以打印出類似心室的結(jié)構(gòu)以及其它復(fù)雜的3D形狀，而無(wú)需使用額外的支撐材料或支架�！�

△該研究題目為“注入纖維的凝膠支架引導(dǎo)3D打印心室中的心肌細(xì)胞排列”（傳送門）

開發(fā)可用的3D打印心臟

哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員，展示了他們?nèi)绾伍_發(fā)一種名為注入凝膠（FIB）墨水的新型水凝膠墨水，其中注入了明膠纖維。

這種墨水被用于實(shí)現(xiàn)功能性心室的3D打印，甚至可以模仿真實(shí)人類心臟的跳動(dòng)。與其它墨水不同，該墨水通過(guò)噴嘴打印，由于含有纖維，結(jié)構(gòu)在打印后能夠立即保持其3D形狀，無(wú)需額外的支撐材料或腳手架。

此外，該團(tuán)隊(duì)可以控制打印方向，以控制心肌細(xì)胞的排列方式。在施加電刺激后，這個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)觸發(fā)與纖維方向一致的協(xié)調(diào)收縮波，類似于泵送。雖然這個(gè)版本相對(duì)簡(jiǎn)化且小型化，但研究人員正在努力構(gòu)建更具厚度的、更逼真的心臟組織。目前，3D打印的心室已能夠泵送比以前的3D打印心臟多5至210倍的液體量，為構(gòu)建心臟瓣膜、雙腔微型心臟等開辟了新途徑。

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)組負(fù)責(zé)人Kevin “Kit” Parker總結(jié)道：“FIB只是我們?yōu)樵霾闹圃扉_發(fā)的一種工具。隨著我們繼續(xù)探索構(gòu)建用于再生治療的人體組織，我們正在開發(fā)其他方法。我們的目標(biāo)不是被工具所驅(qū)動(dòng)，而是在尋找更優(yōu)構(gòu)建生物學(xué)方法的過(guò)程中，我們與工具相輔相成�！�