3D打印胶原构建人体心脏组织

供稿人:陈鹏宇 贺健康

导读：胶原是人体内细胞外基质的主要成分，其具有优异的生物学性能，但受到其强度的限制，使用现有的3D打印方法很难制备具有复杂结构的组织或器官。

近日，来自美国卡内基梅隆大学的研究者们开发出一种自由可逆嵌悬浮水凝胶打印方法(FRESH)，这种方法能从毛细血管到器官尺度精确的制造人体心脏部件。通过该方法能制造20微米精度的可灌流的多尺度血管结构以及三叶瓣膜结构。结果表明所制造的心脏制造能够准确重现病人的解剖学结构，并且所打印的心室表现出了同步的收缩特性。该研究结果发表在《science》期刊上。

图1 FRESH打印工艺

图1表明了该打印工艺的原理。由于胶原强度很低，为了制造出复杂的三维结构，采用了明胶颗粒来支撑胶原结构，研究者们对明胶颗粒的结构进行了优化，发现采用较均一的明胶微球能提高制造精度与结构的质量，胶原纤维最细能达到20um。打印完毕后，加热到37度，胶原成胶，明胶变为液态，最终得到预期的胶原三维结构。

图2 使用胶原制造的冠状动脉模型

研究者在成熟的工艺方法基础上制造了如图2的各种心脏结构。首先打印了冠状动脉模型，在动脉填充了含有C2C12细胞的胶原，分别在静态/动态条件下培养五天后发现，动态培养情况下细胞的存活率明显高于静态培养，验证了所制造的动脉结构的营养运输功能。此外，研究者还制造了直径为28毫米的心脏三叶瓣膜结构，通过microCT检测发现所制造的结构与所设计的结构保持了高度一致，将该瓣膜进行灌流实验，结果表明其回流小于15%，开口面积达到19.5%，其抗压能达到40mmHg，性能优异。为了实现心脏结构的制造，研究者们通过MRI数据，制造了具有解剖学结构的部分心脏结构，其中含有可灌流的多尺度血管网络，能与人体的真实解剖结构高度对应。

图3 基于MRI数据制造的新生儿心脏

通过对完整心脏进行MRI扫描得到三维数据，并对整个打印过程的路径、填充方式进行优化后，研究者最终成功制造了大小为55mmX37mm的完整新生儿心脏。

该研究提出了一种开创性的胶原打印方法，该方法可靠性高、打印精度高，能实现复杂的三维结构制造。虽然要制造出具有功能的完整器官还有很长的路要走，但该研究成功提出了一种能完全模拟心脏结构、强度以及生物性能的制造方法，为生物3D打印领域做出了重要贡献。

参考文献：
Lee, A.; Hudson, A. R.; Shiwarski, D. J.; Tashman, J. W.; Hinton, T. J.; Yerneni, S.; Bliley, J. M.; Campbell, P. G.; Feinberg, A. W., 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science 2019, 365 (6452), 482-+.

供稿人:陈鹏宇 贺健康 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室