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    3D打印的人類心臟:質感足以亂真

    2020/11/26網絡37


    這種以海藻酸鹽為原料的3D打印心臟有著和真實心臟一樣的手感

    新浪科技訊 北京時間11月25日消息,在近期的一項新研究中,科學家利用一項新的技術對心臟進行掃描,然后在凝膠中重建了心臟結構。這一過程有點像制作果凍,但在醫學上有著非常重要的意義。

    在HBO的科幻劇《西部世界》中,3D打印機已經可以大量生產出人形機器人,并精細地組裝成復雜得令人難以置信的人類形態。這些機器人可以做出和人類幾乎一樣的行為。當然,實現這些需要大量的生物力學工作,以確保身體各部位的協調。這項新研究是一個里程碑時刻,標志著兩年來該領域研究的高潮,為外科醫生和臨床醫生帶來了即時的希望,也為生物工程器官研究的未來帶來了長期的影響。人類朝著制造出活組織人工器官又邁進了一步。

    近日,在《ACS生物材料科學與工程》(ACS Biomaterials Science & Engineering)雜志上,一個研究團隊描述了他們如何利用低成本的3D打印機和磁共振掃描數據,制作出人類心臟的可變形全尺寸模擬物。換言之,你可以把它拿在手里,捏一下,會有非常真實的質感;切開它,你能找到心房和心室。這種人工心臟的出現,將有助于外科醫生在手術前更好地練習心臟手術,也可能最終導致全功能3D打印心臟的出現,并為醫療設備開發商提供一個前所未有的平臺,用來測試他們的產品。


    從核磁共振掃描到海藻酸鹽3D打印心臟的變化過程,可以看到完好的內部結構

    研究人員將他們的技術稱為“自由式可逆嵌入懸浮水凝膠”(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels,簡稱FRESH)。首先,他們對一顆真正的心臟進行掃描,然后將數據轉換成3D打印機可以讀取的格式。由于3D打印機的工作原理是一層一層地疊加材料,因此他們通過一個切片器程序來運行3D圖像。論文作者之一、美國卡內基梅隆大學的生物醫學工程師亞當·范伯格(Adam Feinberg)說:“對于每一層,程序基本上定義了材料將被擠壓的路徑,然后將這些路徑輸入3D打印機?!?/span>

    這臺3D打印機利用海藻酸鹽作為打印材料,這是一種從海藻中提取的黏糊糊的物質。研究人員之所以選擇海藻酸鹽,是因為其成本較低,而且與人類心臟組織的材料特性相似。不過,這臺打印機并沒有像普通的3D打印機那樣將成品擠壓到空氣中,而是將人工心臟擠壓到一個裝有支撐凝膠(主要是明膠)的容器中。


    3D打印出來的心臟冠狀動脈部分,右邊為充滿假血的狀態

    “打個比方,想象你是在發膠的內部打印,”范伯格說道。你可以回想一下懸浮在凝膠瓶中的小氣泡——這些膠狀物質提供了足夠的支撐,使它們無限期地漂浮,或者至少保持到你把凝膠擠出瓶子之前。對于FRESH,明膠提供了足夠的空間讓3D打印機的針滑過。范伯格說:“無論擠壓出什么東西,它都會固定在某個地方,就像發膠里的那些氣泡?!?/span>

    在心臟器官打印完成后,研究人員需要一種方法來溶解其周圍的凝膠格架,他們使用了一種很常見的方法?!拔蚁牒芏嗳硕加羞^在烘焙或制作果凍時使用明膠的經歷,”范伯格說,“當你加熱明膠時,它實際上是一種液體,但當你冷卻它時,它又變成了固體凝膠。我們利用了這一點?!碑敶蛴⊥戤?,準備提取人工心臟時,范伯格所要做的就是將浴液升高到體溫,融化支撐凝膠,只留下3D打印結構。


    亞當·范伯格及其團隊開發的3D生物打印心臟模型

    在以往的醫療實踐中,已經有外科醫生在計劃手術前使用基于病人自身器官掃描的3D打印心臟。但這些人工心臟都是用舊的方法,由硬塑料制成。相比之下,這種新型海藻酸鹽心臟具有與真實組織相似的彈性?!爱斈銛D壓它時,它會發生同樣程度的形變,這顯然比硬橡膠或塑料的形變大得多,”范伯格說。這也使其成為一種更加真實的工具,可供外科醫生練習縫合等手術操作,這在無法穿透的塑料上是不可能的。

    此外,該團隊還使用同樣的技術3D打印了冠狀動脈的一個單獨部分,觀察它是否可以灌注,或者說能否攜帶血液。果然,當研究人員泵入假血時,這個人工動脈并不會漏出液體。范伯格表示,這是很重要的一步,我們越來越接近開發出血管相互連接的人工心臟。利用這種心臟,外科醫生就可以在有血液流動的情況下練習縫合動脈。

    此外,研究團隊還希望最終能將打印出來的心臟“細胞化”,或是將人類心臟肌肉細胞添加到這個結構中,讓它像真實的心臟一樣跳動??茖W家已經在實驗室中培育干細胞,并使其分化為心臟細胞。問題是,至少在目前,他們一次只能制造約1億個細胞,但一個正常大小的心臟需要約1000億個細胞。不過,范伯格指出:“一旦這個問題解決,就可以用上我們現在所使用的這種制造技術了?!?/span>


    當打印完畢,準備提取人工心臟時,范伯格所要做的就是將浴液升高到體溫,融化支撐凝膠,只留下3D打印結構

    那么,什么時候才能獲得可操作的3D生物打印器官呢?“答案是10年以上,”范伯格說,“在實現這一目標之前,我們還有很多事情要做?!碑吘?,心臟是一個非常復雜、充滿血管的器官,他們需要將動脈的工作擴展至整個心臟;而如果想要讓人工心臟真正像人體器官一樣工作,還需要實驗室細胞生產技術的進步。

    與此同時,這些3D打印心臟的早期產品已經可以幫助外科醫生更好地為手術做準備?!八麄儗嶋H上擁有了更高的觸覺保真度,這一點是非常重要的,”心臟重癥監護醫生莉莉安·蘇(Lillian Su)說道。她曾將3D打印作為一種培訓工具進行研究,但沒有參與這項工作。外科醫生甚至可以使用一顆定制的3D打印心臟來與病人及其家人溝通,向他們解釋手術將如何進行?!拔艺J為這種材質是真正新奇的部分,”莉莉安·蘇補充道,“我認為家屬們會要求了解外科醫生對于一個特定病例的計劃,這將是同意過程的一部分?!?/span>

    在未來,醫院或許將以更低廉的價格提供這種技術,因為一顆海藻酸鹽心臟的材料成本可能只需10美元。范伯格和他的同事們還希望能用不同的材料進行實驗,比如用膠原蛋白打印的心臟可能會更加逼真,因為膠原蛋白本身就是構成結締組織的蛋白質,是人體結構的組成部分。事實上,就干重而言,我們身體里的膠原蛋白比其他任何東西都多。但問題是,膠原蛋白要貴得多——同樣的活組織打印心臟需要花費2000美元。

    當然,在復雜的心臟手術計劃中,2000美元只是最低的投資?!皩嶋H上,我們認為,在許多應用中,膠原蛋白的真實感可能是值得的,”范伯格說,“但當你在實驗室做研究時,特別是如果你在開發這項技術時會犯很多錯誤的話,我們首先還是會關注海藻酸鹽?!?/span>

    范伯格的近期目標是與外科醫生和臨床醫生合作,對他們的技術進行微調,確保能在醫院環境下使用?!拔覀儸F在可以建立一個模型,不僅可以進行視覺規劃,還可以進行物理實踐,”他說,“外科醫生可以操縱它,使它像真實組織一樣產生反應。這樣,當他們進入手術部位時,已經事先有了一次額外的實際操作?!?/span>

    該研究的主要作者埃曼·米爾達瑪蒂(Eman Mirdamadi)補充道:“盡管在生物打印全尺寸功能性人類心臟方面仍然存在重大障礙,但我們很自豪能夠利用這一新的平臺為該領域奠定基礎,同時展示其在現實中外科手術模擬方面的即時應用?!保ㄈ翁欤?/span>


    這種以海藻酸鹽為原料的3D打印心臟有著和真實心臟一樣的手感新浪科技訊北京時間11月25日消息,在近期的一項新研究中,科學家利用一項新的技術對心臟進行掃描,然后在凝膠中重建了心臟結構。這一過程有點像制作果凍,但在醫學上有著非常重要的意義。在HBO的科幻劇《西部世界》中,3D打印機已經可以大量生產出人形機器人,并精細地組裝成復雜得令人難以置信的人類形態。這些機器人可以做出和人類幾乎一樣的行為。



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