哈佛大学开发出伴随母体生长的3D生物打印心脏技术，有望解决“一心难求”窘境

南极熊导读：据2020 年 12 月世界卫生组织公布的《2019 年全球健康评估报告》显示，在过去 20 年来，心脏病一直高居全球致死疾病的榜首，因心脏病死亡人数比以往任何时候都多。自 2000 年以来，心脏病死亡人数增加了200多万，2019年增至近900万。

其中有许多病情严重的患者需要进行心脏移植手术，然而这个等待周期总是太长，等六个月以上甚至生命时长耗尽前都没能等到的情况也并不少见。由此可见，提供更有效的心脏组织替代方案是当前医学界迫切的需求，而3D生物打印心脏技术就是其中一条行之有效的解决途径。

2022年6月12日，南极熊获悉，来自哈佛大学 Wyss 仿生工程研究所和哈佛大学工程与应用科学学院 (SEAS) 的 Jennifer Lewis 团队合作开发了一套新的心脏工程技术。该技术模拟了心脏收缩元件的复杂排列，同时产生足够厚的组织，以用于再生心脏治疗。

现有SWIFT 3D生物打印技术的改进

这套方案是建立在现有SWIFT生物打印平台基础上，打印平台有1050个孔，每个孔包含两个微柱。研究人员首先通过人工诱导多能干细胞衍生心肌细胞（hiPSCs-CMs），形成预组装心脏器官构件（OBB），然后将OBB从微柱上取下并用作制造生物墨水的原料，并在打印过程中利用3D打印机头的运动进行进一步的对齐。

△3D生物打印过程

经过实验，该团队能够打印出具有与实际人类心肌层相似的复杂多变排列的心脏组织薄片，这将有望为3D打印心脏组织替代物铺平道路。

为了测试打印的心脏结构的收缩特征，研究人员还打印了连接两个大柱的“大长丝”，测量后发现长丝产生的收缩力和收缩速度在 7 天内有所增加，这表明心脏细丝能够不断成熟为真正的肌肉状细丝。

△3D生物打印的心脏细胞

这也意味着新技术能够有效地模拟心脏收缩系统在从单个细胞到由多层组成的较厚心脏组织的整个层次结构中的排列，对于生成用于替代治疗的功能性心脏组织至关重要。

未来借助这项技术，它可以用来生成更多的生理疾病模型，并创建高度结构化的心肌贴片，就像乐高积木一样，可以匹配并用于替换心脏病发作后患者特定的疤痕。

同样，它们可以用定制的方式来修补患有先天性心脏缺陷的新生儿心脏中患者的特定“漏洞”，而且这些贴片可以随孩子一起发育，而不必随着孩子的成长而更换。

3D生物打印心脏组织的其他进展

早在2017 年，苏黎世联邦理工学院的一个研究团队曾利用 3D 打印技术打造了一种人造硅胶心脏，它能像人体内的器官一样跳动，但当时的测试结果显示它能维持的使用时间只有 30 到 45 分钟。

△图片来自：ETH Zürich

2019年，以色列特拉维夫大学的研究人员创造了世界上第一颗具备细胞和血管的3D打印心脏。研究人员从患者身上采集了脂肪组织，并且将其中的细胞和非细胞物质分离开来。分离出的细胞随后与特制的打印材料混合到一起，打印出适合患者的心脏组织。这虽然是个包括血管和心室等部分的构造完整的心脏，但它只有兔子心脏的大小。

△图片来自：Wyss Institute

2022年6月，国内中科院和清华大学的研究团队，创造性地将六轴机器人改造成为生物3D打印机--六轴机器人生物3D打印机，实现了360°全方位任意角度细胞打印；并且开发了油浴细胞打印体系，以更好地保持细胞打印后的自然功能。结合自行设计的生物反应器和重复的打印培养策略，生物打印系统能够生成血管化的、可收缩的、长期存活的心脏组织，为复杂器官的体外制造提供了一个有前途的解决方案。

△六轴机器人生物3D打印机示意图

虽然在实现 3D 打印功能齐全的完整心脏之前还有很长的路要走，但这项技术的出现已经是极大的突破，也许距离实现人工心脏可替代的的那天并不远了。