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3D打印一顆心臟，有“血”（毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)）有“肉”（心肌細(xì)胞），有規(guī)律搏動，還能在體外存活高達(dá)6個月？

沒錯，這就是來自中科院等機(jī)構(gòu)的最新研究成果。

研究人員利用六軸機(jī)器人改造而成的新型生物打印機(jī)和特殊的細(xì)胞打印方法，突破了傳統(tǒng)3D打印的平層局限，在復(fù)雜血管支架上打印出了具有正常細(xì)胞周期和功能的心肌組織。

該組織上面的細(xì)胞存活率和人工操作相同，都有98%。

這一成果讓人造復(fù)雜器官之路又更近一步。

如何打造？

在了解這顆心臟具體如何打印出來之前，我們需要知道，最有希望幫助人類實(shí)現(xiàn)體外制造器官的生物3D打印技術(shù)，有兩大局限：

一是只能逐層打印，也就沒法讓細(xì)胞和血管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，從而導(dǎo)致細(xì)胞缺少營養(yǎng)而沒法長期存活；

二是在墨水中添加的固定細(xì)胞的材料，也會影響細(xì)胞功能和存活時間。

為此，本次研究中，科學(xué)家們拋棄傳統(tǒng)的3D打印機(jī)，用六軸機(jī)器人改造了一個可以360度自由轉(zhuǎn)動的全新工具，對細(xì)胞進(jìn)行全方位打印。

與傳統(tǒng)的笛卡爾生物打印機(jī)和電磁式細(xì)胞噴射打印機(jī)相比，這種機(jī)器人打印機(jī)還不會對細(xì)胞造成機(jī)械損傷。

在此之上，科學(xué)家還設(shè)計出了一種油浴打印方法，可以讓打印出來的細(xì)胞在礦物油的疏水作用力下，不受重力影響，從而穩(wěn)定粘附在生物支架的任意表面，并與周邊細(xì)胞緊密連接。

為了遵從組織器官發(fā)育的規(guī)律，機(jī)器人在血管支架上打印出幾層細(xì)胞后，會先讓兩者進(jìn)行培養(yǎng)，形成胞間連接和新生毛細(xì)血管后，再打印新的細(xì)胞。

如此循環(huán)，就能在心臟內(nèi)形成與體內(nèi)器官類似的血管網(wǎng)絡(luò)，從而支持組織的長期存活。

在具體實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)人員用兩臺六軸機(jī)器人在血管支架上進(jìn)行血管內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞的打印。

墨水的側(cè)視圖和俯視圖如下：

最終，打印出的完整內(nèi)皮層，可在生血管因子的輔助下生長出新血管和毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)；打印的心肌細(xì)胞也能在很快形成間隙連接，維持6個月的規(guī)律性搏動。

下圖為打印完成后第4天在支架表面形成的一個組織良好的hEC-hCM細(xì)胞層結(jié)構(gòu)。

以及打印細(xì)胞分化后第30天和第180天檢測到的心肌細(xì)胞（α-Actinin）和內(nèi)皮細(xì)胞（VE-cadherin）結(jié)構(gòu)。

關(guān)于作者

此項(xiàng)研究成果一共出自3個團(tuán)隊(duì)，分別是：

• 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員王秀杰團(tuán)隊(duì)
• 英國曼徹斯特大學(xué)教授王昌凌團(tuán)隊(duì)
• 以及清華大學(xué)教授劉永進(jìn)團(tuán)隊(duì)

共同一作有4位，分別是王秀杰指導(dǎo)的博士生張澤宇和史慶慶、王昌凌團(tuán)隊(duì)的戴澄愷博士以及劉永進(jìn)團(tuán)隊(duì)的吳陳銘博士。

該成果目前發(fā)表在Bioactive Materials（《生物活性材料》）。

One More Thing

3D打印出來的器官，可以用作術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)間接導(dǎo)航；部分簡單結(jié)構(gòu)的比如下頜骨、顱骨、脊柱、骨盆等已用上臨床。

2019年，以色列特拉維夫大學(xué)就利用病人自身的脂肪等組織打印出了人類首個具有細(xì)胞、血管、心室和心房的完整心臟。

不過它是個微縮版，大小只相當(dāng)于兔子的心臟。

該心臟的細(xì)胞可以出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，但是還不能泵血。

很快，2020年的時候，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)打印出來了能夠進(jìn)行泵血功能的3D心臟。

論文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000743?via%3Dihub=