Stratasys专题:3D打印心脏离植入人体越来越近了-Stratasys3D打印机

3D打印心脏可谓是万众瞩目的热门话题,因为这与每个人都息息相关,Stratasys3D打印机也时刻关注着这项技术的最新进展。近几年,虽然3D打印的心脏还未实现移植到人体内,但也取得了不错的进展,本文Stratasys3D打印机将会带您去了解3D打印心脏的最新前沿。

2019年8月1日,外媒报道,宾夕法尼亚州卡内基梅隆大学(CMU)的科学家们利用3D生物打印机,成功地用胶原蛋白制造出可正常工作的心脏组织。他们说,这项突破性技术有朝一日可以制造出完整的器官。

△采用胶原蛋白和FRESH技术3D打印的心脏瓣膜
他们将这项研究成果发表在“科学”杂志上,其中最重要的是他们开发了一种新的悬浮水凝胶自由可逆嵌入(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels,FRESH)技术,可以3D打印胶原蛋白,用于小血管,瓣膜和心室搏动。
科学家们提出了一种3D生物打印胶原蛋白的方法,使用悬浮水凝胶(FRESH)的自由形式可逆嵌入来设计从毛细血管到整个器官的各种尺度的人类心脏组件。控制pH驱动的凝胶化可以实现20微米的分辨率,多孔微结构能够快速细胞浸润和微血管化,以及制造和灌注多尺度脉管系统和三叶瓣膜。他们发现FRESH 3D生物打印的心脏准确地再现了由微型计算机断层扫描确定的患者特异性解剖结构。

据悉,他们采用的这种方法,以迄今所能达到的最高精度,使用人体内最丰富的蛋白,复制出了复杂的人体生物支架。随后,这些结构可以嵌入活体细胞和毛细血管,其精细度可达20微米,远远高于大多数用于制造塑料结构的3D打印机。

论文作者之一、美国卡内基-梅隆大学生物医学工程教授亚当·范伯格对法新社记者说:“我们已经证明,我们可以用胶原蛋白打印出心脏瓣膜。”

范伯格说:“虽然我们还没有把它置入动物体内,但我们建造了一个模拟人体压力和流速的测试台,并且我们证明,它被放入后能正常工作。”

报道称,该研究小组使用磁共振成像技术对人类心脏进行扫描,来复制患者的特定心脏部位,他们已取得了心跳同步和瓣膜开闭等成果。

△使用FRESH v2.0版技术进行胶原蛋白的高分辨率3D生物打印

△可灌注胶原血管和微孔胶原支架的FRESH 3D生物打印,促进体内微血管化。
从长远来看,这项技术将来有可能被用于打印心脏或其他器官。美国有4000人正在等待心脏移植,而且全世界还有数百万人需要进行心脏移植。

报道认为,实现这一目标面临的挑战包括,生成生物打印大型组织所需的数十亿个细胞,达到制造规模并遵守监管程序,以便在动物以及最终在人类身上进行试验。

△收缩性FRESH 3D生物打印的人心室模型
在动物试验中,研究团队将3D打印对象植入小鼠皮下,结果显示其能够生成完整的血管网。

研究团队还通过这一技术打印出了具有收缩能力的左心室和能够承载生理压力的三尖瓣,这表明胶原结构在人体中的机械完整性。他们通过灌注,验证了血管网的畅通性。最后研究团队打印出新生儿比例的人体心脏胶原模型,由此证明 FRESH打印技术实现“大型”结构能力。

△三叶心脏瓣膜,多尺度脉管系统和新生儿人体心脏的器官尺度FRESH 3D生物打印

3D打印心脏的进展

在此之前,Stratasys3D打印机也曾报道过多个3D打印心脏方面的进展,2019年4月16日,以色列科学家有史以来第一次创造了一种血管化的人类心脏——使用3D打印机将患者的人体组织结合起来。

特拉维夫大学的一个研究小组揭示了3D打印的心脏,它完全符合人类患者的免疫、细胞、生化和解剖学特性。研究的首席作者、特拉维夫大学分子细胞生物学和生物技术学院的Tal Dvir教授称:“这是世界上首次有人成功通过工程学设计,打造出具有细胞、血管、心室的完整心脏。

央视财经频道也报道了“3D打印心脏技术获突破:细胞和血管一应俱全”

3D打印活体心脏过程:
从患者的脂肪组织中分离出细胞和α-细胞材料;
脂肪细胞被转化为胚胎干细胞;
胚胎干细胞分化为心脏或内皮细胞等细胞类型;
使用胶原蛋白和糖蛋白等材料,制作水凝胶,3D打印出可降解的生物支架或骨架上,这个支架像心脏的形状;
把分化好的细胞,培养进入支架相应的部位,变成一个生物心脏;
3D打印过程大约需要3-4个小时。

在研究中,科学家们从患者身上采集了脂肪组织,并且将其中的细胞和非细胞物质分离开来。分离出的细胞随后与特制的打印材料混合到一起打印出适合患者的心脏组织。Dvir博士称:“这种心脏是由人类细胞和为患者特制的生物学材料打造而成的。在打印过程中,这些生物学材料充当的是一种生物墨水,这些由糖和蛋白质构成的材料能够用于3D打印复杂的组织模型。”

△TAU的生物3D打印工艺和使用该技术制造的其他样品结构

△3D打印的微型心脏模型结构

TAU生产的3D打印心脏大小适合兔子。它需要在生物反应器中经历成熟过程以保持细胞存活并使其生长以适应真人大小的心脏。成熟过程需要大约一个月,之后他们将它们移植到动物如兔子和大鼠中进行测试。他们希望这将在一两年内实现。 Dvir说,希望在“10年内,世界上最好的医院将有器官打印机,这些程序将定期进行。”

2017年7月14日,苏黎世瑞士联邦理工学院的功能材料实验室研究人员,已经使用3D打印来创建一个几乎像真实心脏一样跳动的硅胶心脏。这个人造心脏持续了约3,000次搏动,大概30至45分钟。

2018年6月28日,生物3D打印和组织工程公司BIOLIFE4D,司宣布已成功展示其3D打印的人体心脏组织,而且该公司表示已经具备3D打印人类心脏贴片的能力,该公司下一步将会朝着3D打印人类心脏继续进发。

BIOLIFE4D的3D生物打印首先要采集患者的血液样本。因为人体内的每个细胞都有相同数量的基因和相同的DNA,每个细胞都有可能转化为基本上任何其他细胞。
第二步,将样品中的血细胞转化为非特化成体诱导的多能干细胞(iPS)。

通过分化,iPS细胞转化为人体中几乎任何类型的特化细胞,本案例中是心肌细胞(心脏细胞)。 然后将这些细胞与液体环境(水凝胶)中的营养素和其他必需因素结合起来,以保持细胞在整个过程中存活。

然后将这种生物墨水装入生物3D打印机进行打印,这是一种高度专业化的3D打印机,可以保护打印过程中的细胞活性。

BIOLIFE4D的生物3D打印过程提供了将患者自身血细胞重新编程为iPS细胞的能力,然后将这些iPS细胞分化成不同类型的心脏细胞,这些心脏细胞不仅可以用于心脏贴片,而且最终有可能成为用于移植的人类心脏。

这种能力至关重要,因为BIOLIFE4D试图治疗心脏病和其他心脏损伤,特别是通过消除对供体器官的需求来改善移植过程。

BIOLIFE4D首席执行官史蒂文莫里斯表示:“从一开始我们的使命就是利用我们的技术拯救生命。 今天,我们相信我们离最终实现这一目标更近了一步。“

专业人士可阅读《科学》原文:https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482

参考来源:
《science》、3dprintingindustry、参考消息、3D科学谷

产品询价
21 3319 6093
在线咨询
打印服务
预约参观