8月2日，美國卡內基梅隆大學Adam Feinberg領導的研究團隊在《科學》（Science）刊發(fā)的一項研究中宣布，該團隊設計出FRESH2.0打印系統(tǒng)，并且通過該技術成功地獲得具有收縮能力的左心室。

“這是生物3D打印技術對再生醫(yī)學和器官再造科學發(fā)展的一個重大貢獻?！鼻迦A大學機械工程系教授孫偉對《知識分子》表示，構建內含血管通道的功能性心肌組織，一直是心肌組織工程的難點。這次創(chuàng)新證明3D打印可以構建具有微通道的心肌組織，通過皮下培養(yǎng)形成血管內通道，在外界刺激下實現功能收縮。

“3D打印”最初是通過粘合劑材料作為“墨水”逐層堆積獲得三維物體，近年來隨著技術的發(fā)展和“墨水”種類的豐富，3D打印技術被應用于越來越多的領域：小到服裝玩具，大到汽車和航空航天材料。利用細胞、生長因子等生物活性材料作為“墨水”在水凝膠中打印的“3D生物打印”在研發(fā)藥物、制造器官中開始嶄露頭角，已有實驗成功運用3D生物打印軟骨組織修復膝關節(jié)軟骨缺陷。但是目前為止仍然無法通過3D打印技術構建具有功能的整個器官。

2019年4月，特拉維夫大學（TAU）的Tal Dvir團隊利用由患者組織處理獲得的心肌細胞和內皮細胞，在加入細胞質基質的水凝膠中制造出了櫻桃大小的全球首例3D打印出完整結構的心臟。不過，孫偉評論稱，該心臟“貌似不等于神似”，并不具備心臟的生理功能。

在最新的這一研究中，Adam Feinberg團隊設計出FRESH2.0打印系統(tǒng)，采用心肌細胞和膠原蛋白雙材料的印刷策略，打印出了一個左心室模型，并進一步分析了該模型的功能，觀察到了心率失常相關的電生理行為和心室收縮現象。

FRESH2.0打印系統(tǒng)是基于膠原蛋白的成功利用而開發(fā)的。膠原蛋白在細胞質基質中起著維持細胞結構、提供粘附、傳導信號等作用，是作為“支架”的理想材料。

研究者改良了生物材料在水凝膠中的組裝機制——利用酸堿度變化驅動生物材料的自組裝，與傳統(tǒng)的熱驅動相比，酸堿度驅動組裝解決了傳統(tǒng)水凝膠柔軟、支持力度不夠的問題，允許使用更強濃度的膠原作為墨水從而增強機械性能，更有利于復雜結構的制造。不僅如此，研究者改良了凝膠微粒的生產工藝，減少了凝膠微粒的直徑和分散程度，并且將凝膠微粒形狀調整成了均勻球狀形態(tài)，從而將印刷的分辨率提升了一個數量級。這兩項改進實現了在水凝膠中印刷精準膠原蛋白。

為了證明FRESH2.0打印系統(tǒng)的功能，研究者先將印刷物植入小鼠皮下，結果顯示其能夠生成完整的血管網。該系統(tǒng)又打印出了具有收縮能力的左心室和能夠承載生理壓力的三尖瓣，這表明膠原結構在人體中的機械完整性。通過灌注，驗證了血管網的暢通性。最后打印出新生兒比例的人體心臟膠原模型，由此證明FRESH2.0打印大型結構能力。

那么，這是否證明FRESH2.0可以打印功能齊全的心臟了呢？Adam Feinberg表示目前仍有許多挑戰(zhàn)需要克服，例如打印所需的數十億細胞。目前，FRESH2.0作為打印系統(tǒng)，有能力構建模型，有潛力成為研究器官結構、機械強度和生物學特性的強有力工具。

對3D打印心臟的未來，孫偉認為，“我們也許永遠不要期待用3D打印可以直接打印出具有生理功能的心臟?！睘楹芜@么說？

孫偉補充說，隨著生物3D打印技術的發(fā)展，新穎生物墨水的使用，干細胞和細胞生物學的突破，有可能用生物3D打印技術打印出心臟再生所需的生物學模型，然后在此基礎上，通過細胞生物學和發(fā)育生物學的交叉融合，最終實現心臟再造。

“我樂觀估計我們離這一天大概還需要15年的努力?！睂O偉最后預測道。