《全球首个3D打印“人造心脏”问世》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2019-05-07
  • 以色列特拉维夫大学研究人员宣布,他们利用患者细胞和生物材料,首次成功设计和打印出充满细胞、血管并有心室和心房的完整心脏。此次实验采用的是自体干细胞技术,是再生医学领域取得的重大突破。

    对此,深圳百年干细胞生物科技有限公司首席科学家林雄斌博士认为,相比于异体干细胞,自体干细胞技术具有风险小、来源稳定、无排异、无伦理风险等多项优势,尤其是未来结合3D打印技术,人体所有的组织器官都可以像零部件一样实现重建和制造。

    世界卫生组织数据显示,心血管疾病是世界上最主要的死亡原因,目前心脏移植手术是病情严重患者唯一的疗法,但是捐赠者(器官来源)有限,不少患者只能在等待中死去。即便配型成功,异体移植还面临着免疫排斥的风险。

    为了解决这些难点,以色列团队负责人塔尔•德维尔选择采用自体干细胞+3D打印技术,这可以消除外源植入物被排斥的风险。他解释说,3D打印的人工心脏是以人体细胞和具患者特异性的生物材料作为生物打印原料制成的。

    德维尔指出,使用“原生”患者特异性材料,对于成功设计个性化组织和器官至关重要。

    林雄斌认为,“随着技术普及,未来顶级的医院都将拥有人体器官的3D打印机,能够常规地为患者打印器官进行移植手术。”他预期道,“借助再生医学的技术发展,传统医疗将会走向精准医疗,大健康产业将迎来爆发性发展。”

    “只要我们抓住时代赋予的契机,坚持技术创新,走在国际再生医学领域的前沿,相信很快就能让更多中国老百姓享受到尖端生命科技带来的高品质健康生活。”林雄斌表示。

  • 原文来源:http://wap.sciencenet.cn/mobile.php?type=detail&cat=7&id=425711&mobile=1
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    • 瑞士科研人员近日借助3D打印技术,制造出了全球首个形状、大小以及功能都与真人心脏高度相似的柔性心脏。虽然这种人造心脏仍处于概念性测试阶段,还不能用于移植,但为相关研究提供了新思路。 苏黎世联邦理工大学的尼古拉斯·科尔斯等人在新一期美国《人造器官》期刊上报告说,这种人造心脏使用柔软硅胶材料,由3D打印和失蜡铸造技术制作而成,它重390克,容积679立方厘米。 新型人造心脏是一个内部结构复杂的硅胶整体,包含一个右心室和一个左心室,有一个额外腔室将两个心室隔开。这个腔室起着类似肌肉的功能,能像泵一样驱动血液进出心脏。 目前常用的人造心脏血泵等装置虽可泵送血液,但其机械部件易给使用者带来不良影响。不过,现在这种人造心脏还处于测试阶段。由于材料承受能力有限,它只能持续跳动约3000次,即工作30至45分钟。材料的拉伸强度和性能仍需大大提高,现在的产品还不能植入人体,但可为人造心脏提供一个新的发展方向。
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    • 来自卡内基梅隆大学的一组研究人员发表了一篇科学论文,其中详细介绍了一项新技术,允许任何人使用人体内主要结构蛋白胶原蛋白对组织支架进行3D生物打印。这种首创的方法使组织工程领域更接近于能够3D打印全尺寸的成人人类心脏。 这种被称为自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶(FRESH)的技术使研究人员克服了与现有3D生物打印方法相关的许多挑战,并使用柔软和生物材料实现了前所未有的分辨率和保真度。 人体中的每个器官,例如心脏,是由称为细胞外基质(ECM)的生物支架保持在一起的特化细胞构建的。这种ECM蛋白质网络提供了细胞执行其正常功能所需的结构和生化信号。然而,到目前为止,还不可能使用传统的生物制造方法重建这种复杂的ECM架构。 “我们所展示的是,我们可以将细胞和胶原蛋白的碎片打印成真正起作用的部分,如心脏瓣膜或小心脏搏动,”生物医学工程(BME)教授Adam Feinberg说。卡内基梅隆大学的材料科学与工程专业,他的实验室完成了这项工作。 “通过使用人类心脏的MRI数据,我们能够准确地再现患者特异性解剖结构和3D生物打印胶原蛋白和人类心脏细胞。” 美国有超过4000名患者正在等待心脏移植手术,而全球数百万患者需要心脏但不符合等候名单的资格。对更换器官的需求是巨大的,并且需要新的方法来设计能够修复,补充或替换长期器官功能的人造器官。 Feinberg是Carnegie Mellon的生物工程机关倡议的成员,正在努力通过新一代生物工程器官来解决这些挑战,这些器官能够更紧密地复制天然器官结构。 “胶原蛋白是一种非常理想的3D打印生物材料,因为它可以弥补身体中的每一种组织,”BME博士的Andrew Hudson解释道。 Feinberg实验室的学生和论文的共同第一作者。 “然而,3D打印如此困难的原因在于它最初是流动的 - 所以如果你试图在空中打印它,它只会在你的构建平台上形成一个水坑。所以我们开发了一种技术来防止它变形了。“ 在Feinberg实验室开发的FRESH 3D生物打印方法允许胶原蛋白逐层沉积在凝胶支持浴中,使胶原蛋白在从支撑浴中取出之前有机会固化。使用FRESH,在打印完成后,通过将凝胶从室温加热到体温,可以很容易地将支持凝胶熔化掉。通过这种方式,研究人员可以去除支撑凝胶,而不会损坏由胶原蛋白或细胞构成的印刷结构。 这种方法对于3D生物打印领域来说是非常令人兴奋的,因为它允许胶原支架在大规模的人体器官上打印。并且它不仅限于胶原蛋白,因为包括纤维蛋白,藻酸盐和透明质酸在内的各种其他软凝胶可以使用FRESH技术进行3D生物打印,从而提供强大且适应性强的组织工程平台。重要的是,研究人员还开发了开源设计,几乎任何人,从医学实验室到高中科学课程,都可以建立并获得低成本,高性能的3D生物打印机。 展望未来,FRESH在再生医学的许多方面都有应用,从伤口修复到器官生物工程,但它只是一个不断发展的生物制造领域的一部分。 “真正我们所谈论的是技术的融合,”费因伯格说。 “不仅仅是我的实验室在生物打印方面所做的工作,还包括干细胞科学,机器学习和计算机模拟领域的其他实验室和小公司,以及新的3D生物打印硬件和软件。” “重要的是要了解有许多年的研究还有待完成,”费恩伯格补充说,“但是我们仍然应该感到非常兴奋,我们正朝着工程功能性人体组织和器官的方向取得真正的进展,而这篇论文是一步到位沿着那条路走。“ ——文章发布于2019年8月1日