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Science重磅，科学家打印出人体复杂的心脏组织

2019.8.05

　　对于生物制造，目标是设计组织支架以治疗有限选择的疾病，例如终末期器官衰竭。三维（3D）生物打印已经实现了重要的里程碑，包括微生理学装置，图案化组织，可灌注血管样网络和可植入支架。然而，直接打印活细胞和软生物材料如细胞外基质（ECM）蛋白已被证明是困难的。一个关键的障碍是在打印过程中支持这些柔软和动态的生物材料，以实现重建复杂的3D结构和功能所需的分辨率和保真度的问题。2篇Science 背靠背，探讨了这个问题：

　　美国莱斯大学Jordan S. Miller及华盛顿大学Kelly R. Stevens共同通讯在Science 发表题为“Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels”的研究论文，该研究通过使用食品染料添加剂作为用于投影立体光刻的生物相容但有效的光吸收剂，利用可光聚合的水凝胶建立血管内和多血管设计自由。此外，研究人员还在慢性肝损伤的啮齿动物模型中部署结构化可生物降解水凝胶载体，以突出这种材料创新的潜在转化效用。总而言之，通过立体光刻工艺，可以对组织结构和生物材料进行同步控制，以设计再生组织。

　　美国卡内基·梅隆大学A. W. Feinberg团队在Science 在线发表题为“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”的研究论文，该研究使用悬浮水凝胶（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。该研究发现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。打印的人心肌细胞的心室显示同步收缩，定向动作电位传播，以及在收缩峰值期间壁增厚达14％。

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　　美国大学塔夫斯大学Lauren D. Black III等人在Science 发表题为“A FRESH SLATE for 3D bioprinting”的点评文章，系统总结了这两篇文章的研究成果，同时指出这两项研究中的技术动员了从计算机生成的模型，创建功能性器官和组织的前景，从而使按需器官印刷更接近现实。

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　　打印生物聚合物时的有限分辨率阻碍了模仿天然组织的微观复杂性。两项研究独立地解决了这些问题。Grigoryan等人推出了一种名为SLATE（用于组织工程的立体光刻设备）的立体光刻（SLA）印刷技术，该技术使用一组新的生物相容性光吸收剂，用于在3D打印水凝胶内高保真地生成多种多样网络；Lee等人报告更新了FRESH（自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶）基于挤出的打印技术，具有更高的分辨率。

　　Grigoryan等人通过使用食品染料添加剂作为用于投影立体光刻的生物相容但有效的光吸收剂，利用可光聚合的水凝胶建立血管内和多血管设计自由。研究人员展示了在几分钟内生产的整体透明水凝胶，包括有效的血管内3D流体混合器和功能性二尖瓣。研究人员进一步阐述了来自空间填充数学拓扑的纠缠血管网络，并探讨了心脏扩张期间人体红细胞的氧合和流动。此外，研究人员还在慢性肝损伤的啮齿动物模型中部署结构化可生物降解水凝胶载体，以突出这种材料创新的潜在转化效用。总而言之，通过立体光刻工艺，可以对组织结构和生物材料进行同步控制，以设计再生组织。

　　对于Lee等人提出了一种3D生物打印胶原蛋白的方法，该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驱动的凝胶化提供20微米的细丝分辨率，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的机械强度。该研究发现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。打印的人心肌细胞的心室显示同步收缩，定向动作电位传播，以及在收缩峰值期间壁增厚达14％。

　　总的来说，这两项研究中的技术动员了从计算机生成的模型，创建功能性器官和组织的前景，从而使按需器官印刷更接近现实。

　　参考信息：

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6452/446

　　https://science.sciencemag.org/content/364/6439/458

science 器官衰竭生物打印心脏组织

青塔

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