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
