3D打印的人類心臟：質(zhì)感足以亂真

在近期的一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家利用一項(xiàng)新的技術(shù)對心臟進(jìn)行掃描，然后在凝膠中重建了心臟結(jié)構(gòu)。這一過程有點(diǎn)像制作果凍，但在醫(yī)學(xué)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(jī)已經(jīng)可以大量生產(chǎn)出人形機(jī)器人，并精細(xì)地組裝成復(fù)雜得令人難以置信的人類形態(tài)。這些機(jī)器人可以做出和人類幾乎一樣的行為。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這些需要大量的生物力學(xué)工作，以確保身體各部位的協(xié)調(diào)。這項(xiàng)新研究是一個(gè)里程碑，標(biāo)志著兩年來該領(lǐng)域研究的高潮，為外科醫(yī)生和臨床醫(yī)生帶來了希望，也為生物工程器官的研究帶來了長期的影響。人類朝著制造出活組織人工器官又邁進(jìn)了一步。

近日，在《ACS生物材料科學(xué)與工程》雜志上，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)描述了他們?nèi)绾卫玫统杀镜?D打印機(jī)和磁共振掃描數(shù)據(jù)，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(huì)有非常真實(shí)的質(zhì)感;切開它，你能找到心房和心室。這種人工心臟的出現(xiàn)，將有助于外科醫(yī)生在手術(shù)前更好地練習(xí)心臟手術(shù)，也可能最終導(dǎo)致全功能3D打印心臟的出現(xiàn)，并為醫(yī)療設(shè)備開發(fā)商提供一個(gè)前所未有的平臺，用來測試他們的產(chǎn)品。研究人員將他們的技術(shù)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(jìn)行掃描，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)可以讀取的格式。由于3D打印機(jī)的工作原理是一層一層地疊加材料，因此他們通過一個(gè)切片器程序來運(yùn)行3D圖像。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師亞當(dāng)·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(jī)?！?/p>

這臺3D打印機(jī)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(zhì)。研究人員之所以選擇海藻酸鹽，是因?yàn)槠涑杀据^低，而且與人類心臟組織的材料特性相似。不過，這臺打印機(jī)并沒有像普通的3D打印機(jī)那樣將成品擠壓到空氣中，而是將人工心臟擠壓到一個(gè)裝有支撐凝膠（主要是明膠）的容器中。

“打個(gè)比方，想象你是在發(fā)膠的內(nèi)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(zhì)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(jī)的針滑過。范伯格說：“無論擠壓出什么東西，它都會(huì)固定在某個(gè)地方，就像發(fā)膠里的那些氣泡?！?/p>

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(shí)使用明膠的經(jīng)歷，”范伯格說，“當(dāng)你加熱明膠時(shí)，它實(shí)際上是一種液體，但當(dāng)你冷卻它時(shí)，它又變成了固體凝膠。我們利用了這一點(diǎn)?！碑?dāng)打印完畢，準(zhǔn)備提取人工心臟時(shí)，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(jié)構(gòu)。

在以往的醫(yī)療實(shí)踐中，已經(jīng)有外科醫(yī)生在計(jì)劃手術(shù)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(shí)組織相似的彈性?！爱?dāng)你擠壓它時(shí)，它會(huì)發(fā)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(shí)的工具，可供外科醫(yī)生練習(xí)縫合等手術(shù)操作，這在無法穿透的塑料上是不可能的。

此外，該團(tuán)隊(duì)還使用同樣的技術(shù)3D打印了冠狀動(dòng)脈的一個(gè)單獨(dú)部分，觀察它是否可以灌注，或者說能否攜帶血液。果然，當(dāng)研究人員泵入假血時(shí)，這個(gè)人工動(dòng)脈并不會(huì)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(fā)出血管相互連接的人工心臟。利用這種心臟，外科醫(yī)生就可以在有血液流動(dòng)的情況下練習(xí)縫合動(dòng)脈。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還希望最終能將打印出來的心臟“細(xì)胞化”，或是將人類心臟肌肉細(xì)胞添加到這個(gè)結(jié)構(gòu)中，讓它像真實(shí)的心臟一樣跳動(dòng)。科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中培育干細(xì)胞，并使其分化為心臟細(xì)胞。問題是，至少在目前，他們一次只能制造約1億個(gè)細(xì)胞，但一個(gè)正常大小的心臟需要約1000億個(gè)細(xì)胞。不過，范伯格指出：“一旦這個(gè)問題解決，就可以用上我們現(xiàn)在所使用的這種制造技術(shù)了?！?/p>

那么，什么時(shí)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)之前，我們還有很多事情要做。”畢竟，心臟是一個(gè)非常復(fù)雜、充滿血管的器官，他們需要將動(dòng)脈的工作擴(kuò)展至整個(gè)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(shí)驗(yàn)室細(xì)胞生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。

與此同時(shí)，這些3D打印心臟的早期產(chǎn)品已經(jīng)可以幫助外科醫(yī)生更好地為手術(shù)做準(zhǔn)備?！八麄儗?shí)際上擁有了更高的觸覺保真度，這一點(diǎn)是非常重要的，”心臟重癥監(jiān)護(hù)醫(yī)生莉莉安·蘇（Lillian Su）說道。她曾將3D打印作為一種培訓(xùn)工具進(jìn)行研究，但沒有參與這項(xiàng)工作。外科醫(yī)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(shù)將如何進(jìn)行。“我認(rèn)為這種材質(zhì)是真正新奇的部分，”莉莉安·蘇補(bǔ)充道，“我認(rèn)為家屬們會(huì)要求了解外科醫(yī)生對于一個(gè)特定病例的計(jì)劃，這將是同意過程的一部分。”

在未來，醫(yī)院或許將以更低廉的價(jià)格提供這種技術(shù)，因?yàn)橐活w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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比如用膠原蛋白打印的心臟可能會(huì)更加逼真，因?yàn)槟z原蛋白本身就是構(gòu)成結(jié)締組織的蛋白質(zhì)，是人體結(jié)構(gòu)的組成部分。事實(shí)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(fèi)2000美元。

當(dāng)然，在復(fù)雜的心臟手術(shù)計(jì)劃中，2000美元只是最低的投資?！皩?shí)際上，我們認(rèn)為，在許多應(yīng)用中，膠原蛋白的真實(shí)感可能是值得的，”范伯格說，“但當(dāng)你在實(shí)驗(yàn)室做研究時(shí)，特別是如果你在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)時(shí)會(huì)犯很多錯(cuò)誤的話，我們首先還是會(huì)關(guān)注海藻酸鹽?！?/p>

范伯格的近期目標(biāo)是與外科醫(yī)生和臨床醫(yī)生合作，對他們的技術(shù)進(jìn)行微調(diào)，確保能在醫(yī)院環(huán)境下使用?！拔覀儸F(xiàn)在可以建立一個(gè)模型，不僅可以進(jìn)行視覺規(guī)劃，還可以進(jìn)行物理實(shí)踐，”他說，“外科醫(yī)生可以操縱它，使它像真實(shí)組織一樣產(chǎn)生反應(yīng)。這樣，當(dāng)他們進(jìn)入手術(shù)部位時(shí)，已經(jīng)事先有了一次額外的實(shí)際操作?！?/p>

該研究的主要作者埃曼·米爾達(dá)瑪?shù)伲‥man Mirdamadi）補(bǔ)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(lǐng)域奠定基礎(chǔ)，同時(shí)展示其在現(xiàn)實(shí)中外科手術(shù)模擬方面的即時(shí)應(yīng)用?！?/p>