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打印心脏解剖结构新技术,实现胶原蛋白3D打印

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2019-08-02 09:27

  《3D打印商情》获悉,science近日发表了一篇题为《3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart》的论文(论文链接:https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482),论文显示,由美国卡内基梅隆大学生物医学工程师Andrew Lee博士领导的研究团队开发了一种大规模生产胶原蛋白3D打印解剖结构的新技术。

    胶原蛋白在我们的人体中特别有用,因为它是我们许多组织的主要组成部分。该蛋白质是各种组织中细胞外基质的关键组分,也广泛用于工程研究。

  但是它在生物医学中的应用一直受到包括组织保真度差和打印分辨率低等技术限制的阻碍。由于这些限制,在该领域中打印诸如胶原蛋白或活细胞,一直是困难的事情。这也是为什么由Andrew Lee领导的这项新研究特别有趣的原因。

  研究人员开发了一种名为“FRESH”的方法,来3D打印复杂的解剖结构,如心脏或心脏的一部分,它是由胶原蛋白制成的。

  这是3D打印胶原蛋白复杂解剖结构的新方式,他们制造的心脏结构和组织与人类心脏的形态和功能非常相似。

  它利用酸度的快速变化,使挤出的胶原蛋白固化,并进行精确控制。

FRESH 3D打印机。

  什么是FRESH?

  研究小组在2015年创建了所谓的FRESH方法。从那时起,他们就开始研究这种方法,改进和琢磨其参数。

  现在,他们重新创造了FRESH的升级版本,它被称为“自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶”。由于这有点拗口,因此更常用的是简单的FRESH v2.0版本。

  美国卡内基梅隆大学的Lee博士说:“我们提出了一种3D生物打印胶原蛋白的方法,使用悬浮水凝胶(FRESH)的自由形式可逆嵌入来设计人体心脏的各个部位,从毛细血管到整个器官。”

  “我们发现FRESH 3D生物打印的心脏能够准确地再现患者特异性的解剖结构,这是由微型计算机断层扫描确定的。”

    Andrew Lee博士补充说:“FRESH打印的胶原蛋白是一个平台,可以为各种器官系统建立先进的组织支架。”

  FRESH如何运作?

  它利用pH值的快速变化来制造挤出的胶原蛋白,并通过精确控制来固化它。

  支撑床由热可逆的粘性明胶浆料组成,为打印喷嘴提供柔性支撑。

  喷嘴可以容易地穿透支撑床而不会遇到阻力并且将打印的水凝胶结构保持在适当的位置而不会使其塌陷。

  打印后,仅通过加热至37℃将水凝胶从载体上释放,这使载体熔化。

  结果是成功地从胶原水凝胶中以20mm的分辨率打印了人类心脏的部分,这超过了用其他技术实现的100至500mm的分辨率。

  Andrew Lee介绍,该方法能够产生复杂的结构和功能组织结构,其又可以嵌入活细胞或复杂的脉管系统,其分辨率小至10微米。

  Lee和他的团队使用这种方法通过3D打印机创建完全由胶原蛋白和人体细胞制成的人体心脏部分。它们甚至包括心脏组织、心室和新生儿心脏。

  据作者称,他们生物打印的心脏准确地再现了解剖结构,这些结构反映了患者MRI(磁共振成像)扫描中发现的结构。打印的人体心肌细胞的成分可以实现先进的收缩功能。

  但是,Andrew Lee也表示:“仍有许多挑战需要克服,例如生成3D生物打印大型组织所需的数十亿个细胞,实现制造规模,以及创建临床的监管程序……”

  “尽管尚未实现全功能器官的3D生物打印,但我们现在能够构建重现天然组织的结构、机械和生物特性的构建体。”

  美国塔夫茨大学的Queeny Dasgupta博士没有参与这项研究,他说这对未来有“前所未有的希望”。Dasgupta博士说,尽管面临挑战,它带来了“从计算机生成的模型创建功能性器官和组织的前景,从而使按需器官打印更接近现实。”