就在不久前，學術經緯團隊和讀者朋友們介紹了3D打印器官的一項重磅突破：科學家們造出了包含血管和氣道、會“呼吸”的迷你人工肺。該研究登上了頂尖學術期刊《科學》的封面。

　　而在最新一期《科學》上，生物工程學家們再次突破生物材料的技術障礙，帶來一項“激動人心”的新成果。

　　▲生物打印技術模擬肺組織和復制人類心臟結構，讓復雜的“人造器官”正在變成現實（圖片來源：參考資料[2]）

　　美國卡耐基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的科學家們開發出一種創新的3D生物打印技術，以膠原蛋白為材料，制造出具有更高分辨率、圖案可以更復雜的人體器官組織支架。“這種史無前例的方法，使組織工程學領域向3D打印全尺寸成人心臟又邁進了一步。”研究機構的新聞介紹。

　　膠原蛋白是一種十分理想的生物材料。因為這類蛋白質本身就是人體主要的結構蛋白，是細胞外基質的主要成分。它們有足夠的機械強度，為細胞和組織成分提供結構空間。Andrew Hudson博士是這項研究的共同一作，用他的話說，“人體幾乎每個組織都由膠原蛋白構成”。

　　盡管如此，要用天然的膠原蛋白做3D打印的生物墨水，還有難題需要解決。“它是液態的，假如你想在空氣中把它打印出來，那么你只會在制作平臺上得到一灘水。”Hudson博士解釋。

　　▲該研究的負責人Adam Feinberg教授（圖片來源：卡耐基梅隆大學）

　　如何讓膠原蛋白保持完整的組織形狀，還要達到高分辨率和高保真度？為此，Adam Feinberg教授領銜的研究團隊開發了一種新技術，他們將其命名為“新鮮”（FRESH），全稱是“懸浮水凝膠的自由可逆式嵌入”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）技術。

　　這種3D打印技術以明膠作為支撐床，特定濃度的膠原蛋白從靈活的打印噴嘴中擠出后，可以在支撐膠中逐層沉積和凝固。等到打印完成，研究人員把溫度從室溫調整到體溫，就可以讓支撐用的明膠融化，同時讓打印出來的膠原蛋白結構、嵌入膠原蛋白中的細胞保持完好。

　　利用FRESH技術，他們用細胞和膠原蛋白成功打印出不同尺寸的心臟零件：小到毛細血管，大到與新生兒心臟相當的人類心臟模型，包括血管系統、腔室之間的瓣膜等結構。而且，分辨率最高達到20微米，大大超過原有技術100~500微米的分辨率。

　　研究人員還設計了一個使用兩種生物墨水打印的左心室模型，由膠原蛋白打印出內壁和外壁，中間是人類胚胎干細胞來源的心肌細胞。正如他們的預期，在打印并培養4周后，這一3D人造組織不僅保持了完整的結構，并且產生了人類心臟應有的自發搏動功能！

　　▲用膠原蛋白和細胞兩種生物墨水打印出人工心室（圖片來源：參考資料[1]）

　　Feinberg教授總結說：“我們的研究結果表明，我們能用細胞和膠原蛋白打印出心臟的零件，把它們做成真正具有功能的部件，比如心臟瓣膜或跳動的心室。”

　　有了這樣一種技術，不僅可以用膠原蛋白打印大尺寸的人體器官，研究人員認為，像纖維蛋白、透明質酸、藻酸鹽等各種軟性生物材料，都可以作為生物墨水用于3D打印。“FRESH技術為組織工程提供了一個適應性強大的平臺。”研究人員介紹。

　　為了讓更多人可以使用這種3D打印技術，研究人員還將硬件平臺的設計“開源”，免費分享。他們希望，不光是實驗室的科研人員，甚至中學科技小組的學生們，也可以構建并獲得低成本、高性能的3D生物打印機。

　　當然，研究者也提到，要打印符合成人尺寸的人造器官還有諸多挑戰，比如大型組織需要數十億的細胞。但是無疑，我們正在見證奇跡的實現過程。這項FRESH技術與開頭提到的迷你人工肺打印技術，“正在讓按需打印器官更接近現實”。

　　參考資料：

　　[1] A. Lee et al., (2019) 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science. DOI: 10.1126/science.aav9051

　　[2] Queeny Dasgupta1 and Lauren D. Black III (2019) A FRESH SLATE for 3D bioprinting. Science. DOI: 10.1126/science.aay0478

　　[3] 3D printing the human heart. Retrieved Aug. 4, 2019, from https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2019/08/01-feinberg-science-paper.html