3D打印“心脏”体外存活超 6.个月:心肌组织带有规律性搏动,来自中科院和清华

3D打印一颗心脏,有“血”(毛细血管网络)有“肉”(心肌细胞),有规律搏动,还能在体外存活高达 6.个月?

3D打印“心脏”体外存活超 6.个月:心肌组织带有规律性搏动,来自中科院和清华

没错,这就是来自中科院等机构的最新研究成果。研究人员利用六轴机器人改造而成的新型生物打印机和特殊的细胞打印方法,突破了传统 3D打印的平层局限,在复杂血管支架上打印出了具有正常细胞周期和功能的心肌组织。

该组织上面的细胞存活率和人工操作相同,都有 98%。这一成果让人造复杂器官之路又更近一步。

如何打造?

在了解这颗心脏具体如何打印出来之前,我们需要知道,最有希望帮助人类实现体外制造器官的生物 3D打印技术,有两大局限:一是只能逐层打印,也就没法让细胞和血管网络进行融合,从而导致细胞缺少营养而没法长期存活;二是在墨水中添加的固定细胞的材料,也会影响细胞功能和存活时间。

为此,本次研究中,科学家们抛弃传统的 3D打印机,用六轴机器人改造了一个可以 360度自由转动的全新工具,对细胞进行全方位打印。

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与传统的笛卡尔生物打印机和电磁式细胞喷射打印机相比,这种机器人打印机还不会对细胞造成机械损伤。

在此之上,科学家还设计出了一种油浴打印方法,可以让打印出来的细胞在矿物油的疏水作用力下,不受重力影响,从而稳定粘附在生物支架的任意表面,并与周边细胞紧密连接。

为了遵从组织器官发育的规律,机器人在血管支架上打印出几层细胞后,会先让两者进行培养,形成胞间连接和新生毛细血管后,再打印新的细胞。

如此循环,就能在心脏内形成与体内器官类似的血管网络,从而支持组织的长期存活。在具体实践中,实验人员用两台六轴机器人在血管支架上进行血管内皮细胞和心肌细胞的打印。

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墨水的侧视图和俯视图如下:

3D打印“心脏”体外存活超 6.个月:心肌组织带有规律性搏动,来自中科院和清华

最终,打印出的完整内皮层,可在生血管因子的辅助下生长出新血管和毛细血管网络;打印的心肌细胞也能在很快形成间隙连接,维持 6.个月的规律性搏动。下图为打印完成后第 4.天在支架表面形成的一个组织良好的 hEC hCM细胞层结构。

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以及打印细胞分化后第 30天和第 180天检测到的心肌细胞(α-肌动蛋白)和内皮细胞(维生素E钙粘蛋白)结构。

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关于作者

此项研究成果一共出自 3.个团队,分别是:

  • 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员王秀杰团队
  • 英国曼彻斯特大学教授王昌凌团队
  • 以及清华大学教授刘永进团队

共同一作有 4.位,分别是王秀杰指导的博士生张泽宇和史庆庆、王昌凌团队的戴澄恺博士以及刘永进团队的吴陈铭博士。该成果目前发表在 生物活性材料(《生物活性材料》)。

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还有一件事

3D打印出来的器官,可以用作术前规划和手术间接导航;部分简单结构的比如下颌骨、颅骨、脊柱、骨盆等已用上临床。

2019年,以色列特拉维夫大学就利用病人自身的脂肪等组织打印出了人类首个具有细胞、血管、心室和心房的完整心脏。不过它是个微缩版,大小只相当于兔子的心脏。

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该心脏的细胞可以出现收缩现象,但是还不能泵血。

很快,2020年的时候,美国明尼苏达大学打印出来了能够进行泵血功能的 3D心脏。

论文地址:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000743?via%3Dihub=

参考链接:

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/3/476225.shtm