3D打印定制化心臟補片以及整個“心臟”

供稿人:趙廷澤 連芩
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

心血管疾病是引起人類死亡的主要原因之一。到目前為止，心臟移植是治療終末期心衰的唯一方法。但是由于心臟供體的數(shù)量有限，因此需要開發(fā)新的方法來再生心臟。心臟組織工程的出現(xiàn)為此提供了一種極具潛力的方法。它通過使用心臟細(xì)胞和三維生物材料制成一個臨時的支架，支撐細(xì)胞并促進(jìn)細(xì)胞再生成為功能組織。在體外成熟后，可以將設(shè)計好的心臟補片移植到缺陷的心臟上。當(dāng)與宿主完全融合開始時，生物材料逐漸降解，留下一個具有活性和功能的補丁，再生心臟。

以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員通過生物3D打印的技術(shù)，使用患者自身的細(xì)胞成功制造了一個可以血管化且可灌流的心臟補片。首先，研究人員使用CT得到患者左心室血管的三維結(jié)構(gòu)。為了將三維心臟補片貼合到患者的左心室，研究人員根據(jù)CT圖像，運用CAD軟件，設(shè)計了補片的尺寸和血管的幾何形狀。脫細(xì)胞外基質(zhì)作為主要生物墨水制造心臟補片的主體結(jié)構(gòu)，并使用明膠作為犧牲墨水制造血管結(jié)構(gòu)，整個制造過程通過一臺生物3D打印機(jī)完成。

圖1 生物3D打印心臟補片過程與患者左心室補片模型建立

為了評估打印的補片在生物體內(nèi)的存在和形態(tài)，研究人員將補片植入大鼠的兩層網(wǎng)膜（與胃相連系的腹膜褶，有大網(wǎng)膜和小網(wǎng)膜）之間。7天后取出并觀測�？梢娫诮M織中具有打印的管腔，且細(xì)胞被拉長，有大量的條紋，這說明它們很有可能具有了收縮的能力。研究結(jié)果證明了使用患者細(xì)胞，通過3D打印制造完全定制化的具有收縮功能的心臟補片的能力。這種方法可以制造具有幾個毫米的厚結(jié)構(gòu)，而這足以滿足臨床相關(guān)的心臟補片。

考慮到制造更大更復(fù)雜的組織時，上述的制造策略由于生物墨水無法承受其支架重量，研究人員提出了另一種制造策略，即制造一個帶有主要血管結(jié)構(gòu)的小型仿生“心臟”（高20mm直徑14mm）。如圖2所示，通過將3D打印的結(jié)構(gòu)沉積在一個支撐浴之中以支撐支架的重量，打印結(jié)束后固化支架結(jié)構(gòu)的同時，去除支撐浴材料，以此獲得體積更大更復(fù)雜的組織工程結(jié)構(gòu)。

圖2 支撐浴打印策略與小型仿生“心臟”結(jié)構(gòu)

參考文獻(xiàn)：
Noor, N.; Shapira, A.; Edri, R.; Gal, I.; Wertheim, L.; Dvir, T., 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts. Advanced Science 2019, 6 (11).