供稿人:陳鵬宇 賀健康 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2019-10-31
膠原是人體內(nèi)細胞外基質的主要成分，其具有優(yōu)異的生物學性能，但受到其強度的限制，使用現(xiàn)有的3D打印方法很難制備具有復雜結構的組織或器官。
近日，來自美國卡內(nèi)基梅隆大學的研究者們開發(fā)出一種自由可逆嵌懸浮水凝膠打印方法(FRESH)，這種方法能從毛細血管到器官尺度精確的制造人體心臟部件。通過該方法能制造20微米精度的可灌流的多尺度血管結構以及三葉瓣膜結構。結果表明所制造的心臟制造能夠準確重現(xiàn)病人的解剖學結構，并且所打印的心室表現(xiàn)出了同步的收縮特性。該研究結果發(fā)表在《science》期刊上。
圖1 FRESH打印工藝
圖1表明了該打印工藝的原理。由于膠原強度很低，為了制造出復雜的三維結構，采用了明膠顆粒來支撐膠原結構，研究者們對明膠顆粒的結構進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)采用較均一的明膠微球能提高制造精度與結構的質量，膠原纖維最細能達到20um。打印完畢后，加熱到37度，膠原成膠，明膠變?yōu)橐簯B(tài)，最終得到預期的膠原三維結構。
圖2 使用膠原制造的冠狀動脈模型
研究者在成熟的工藝方法基礎上制造了如圖2的各種心臟結構。首先打印了冠狀動脈模型，在動脈填充了含有C2C12細胞的膠原，分別在靜態(tài)/動態(tài)條件下培養(yǎng)五天后發(fā)現(xiàn)，動態(tài)培養(yǎng)情況下細胞的存活率明顯高于靜態(tài)培養(yǎng)，驗證了所制造的動脈結構的營養(yǎng)運輸功能。此外，研究者還制造了直徑為28毫米的心臟三葉瓣膜結構，通過microCT檢測發(fā)現(xiàn)所制造的結構與所設計的結構保持了高度一致，將該瓣膜進行灌流實驗，結果表明其回流小于15%，開口面積達到19.5%，其抗壓能達到40mmHg，性能優(yōu)異。為了實現(xiàn)心臟結構的制造，研究者們通過MRI數(shù)據(jù)，制造了具有解剖學結構的部分心臟結構，其中含有可灌流的多尺度血管網(wǎng)絡，能與人體的真實解剖結構高度對應。
圖3 基于MRI數(shù)據(jù)制造的新生兒心臟
通過對完整心臟進行MRI掃描得到三維數(shù)據(jù)，并對整個打印過程的路徑、填充方式進行優(yōu)化后，研究者最終成功制造了大小為55mmX37mm的完整新生兒心臟。
該研究提出了一種開創(chuàng)性的膠原打印方法，該方法可靠性高、打印精度高，能實現(xiàn)復雜的三維結構制造。雖然要制造出具有功能的完整器官還有很長的路要走，但該研究成功提出了一種能完全模擬心臟結構、強度以及生物性能的制造方法，為生物3D打印領域做出了重要貢獻。