對于人體器官，膠原蛋白是人體大多數(shù)組織和器官的主要成分，而被稱為“細胞外基質(zhì)”（ECM）的組織也是非常重要的，但事實證明在實驗室中是很難使用3D打印來生產(chǎn)。
由美國匹茲堡卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的一組研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一種新技術(shù)，該技術(shù)利用支持凝膠對含有膠原蛋白的3D打印心臟組織進行處理。這種被稱為FRESH（用于懸浮水凝膠的自由形式可逆嵌入）的方法可以產(chǎn)生從毛細管到整個器官的各種規(guī)模化的心臟部分。當使用人類心肌細胞制造時，這種結(jié)構(gòu)甚至?xí)湛s。
該蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)可以提供各種細胞執(zhí)行正常功能所需的結(jié)構(gòu)和生化信號。 出乎意料的是傳統(tǒng)的生物制造方法無法重建復(fù)雜的ECM架構(gòu)， 都是過去進行3D生物打印的前提條件。
團隊開發(fā)出的新技術(shù)正好能夠解決這項問題。FRESH 讓膠原蛋白可以逐層沉積在凝膠支架中留待固化。在列印完成后，透過將凝膠從室溫加熱到體溫，研究人員可以熔化去除用來支撐的凝膠，而不會損壞由膠原蛋白或細胞構(gòu)成的印刷結(jié)構(gòu)。
不僅限于膠原蛋白，包括纖維蛋白、藻酸鹽和透明質(zhì)酸在內(nèi)的各種軟凝膠也可以使用 FRESH 技術(shù)進行 3D 生物列印，研究人員還開發(fā)了開源設(shè)計，讓從醫(yī)學(xué)實驗室到高中科學(xué)課程的任何人都可以建立并獲得低成本、高性能的 3D 生物列印機。
3D生物打印可生成膠原蛋白以重建心臟
一種3D生物打印膠原蛋白的技術(shù)，可制造人心臟的全部功能組件。
盡管3D打印（也稱為增材制造）自1980年代開始出現(xiàn)，但直到最近的二十年，研究人員才使用3D打印來制造用于再生醫(yī)學(xué)的生物細胞和結(jié)構(gòu)。
該技術(shù)最近隨著圖案化組織的制造，可以注入活細胞和營養(yǎng)物的血管樣網(wǎng)絡(luò)以及可植入支架的發(fā)展而突飛猛進。
如何打印出柔軟的膠原蛋白
印刷活細胞和諸如細胞外基質(zhì)（ECM）蛋白之類的軟生物材料（如膠原蛋白）一直很困難。“這是因為細胞和組織柔軟而多汁，這意味著要在不塌陷的情況下進行3D打印幾乎是不可能的，到目前為止3D生物打印通常僅限于非常薄和很小的支架。
我們通過在“支持”凝膠內(nèi)進行3D生物打印解決了這個問題，凝膠可防止細胞和水凝膠（類似于明膠）倒塌。”
利用既有的技術(shù)，研究人員能夠3D打印膠原蛋白（膠原蛋白是人體中的主要結(jié)構(gòu)蛋白），與我們能夠輕松地3D打印塑料，金屬和其他材料一樣。“能夠做到這一點意味著我們現(xiàn)在可以打印出具有生物學(xué)功能的支架和組織，”
全新改良的FRESH技術(shù)支架提供了支撐
該團隊于2015年首次提出其FRESH技術(shù)，現(xiàn)已開發(fā)出一種新的改進版本，該版本利用pH的快速變化來自組裝膠原蛋白并迫使其固化。
該方法的工作原理是在3D打印機中從針頭擠出含有未修飾膠原蛋白的生物墨水，該墨水包含由明膠微粒漿液組成的特殊支撐液，該懸浮液在打印過程中提供支撐。
針頭擠出膠原蛋白和細胞的薄層，然后將這些層堆疊在一起以創(chuàng)建3D對象。打印完成后，研究人員將溫度從室溫升至體溫（37°C），這將使支撐物緩慢融化并釋放出已打印的支架。
研究人員說，技術(shù)可以產(chǎn)生具有功能結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以進一步嵌入到活細胞或復(fù)雜的類血管網(wǎng)絡(luò)中，打印分辨率可達20微米。
使用人的心肌細胞打印出的心室能夠同步收縮并在特定方向上傳播動作電位，就像真實的心臟一樣。
在稱為峰值收縮期的心跳階段，心臟壁也會增厚多達14％-再次類似于真實器官。
特定于患者的解剖結(jié)構(gòu)
對出于研究而言，我們還可以創(chuàng)建為患者特定的解剖結(jié)構(gòu)，當我們從患者整個心臟或只是心臟瓣膜等成分的磁共振成像（MRI）或微型計算機斷層掃描（CT）圖像開始
這使我們能夠創(chuàng)建與患者匹配的3D計算機模型。然后我們會使用計算機將心臟瓣膜的3D模型轉(zhuǎn)換為告訴3D打印機該怎么做的動作指令。
目前沒有其他方法可以對FRESH實現(xiàn)具有分辨率和逼真度的3D生物打印膠原蛋白進行3D打印。
重要的是該技術(shù)還可以使用未經(jīng)修飾的膠原蛋白，這意味著我們可以印刷純膠原蛋白，并利用pH的變化將液態(tài)膠原蛋白轉(zhuǎn)變成凝膠。其他能夠打印膠原蛋白的方法通常需要化學(xué)修飾膠原蛋白或?qū)⑵渑c其他材料混合以提高可印刷性。”
在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用
目前研究人員正在專注于構(gòu)建心臟及其組成部分。真正令人興奮的是膠原蛋白是人體幾乎所有組織和器官中的主要蛋白質(zhì)，在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用
有研究組織還為FRESH開發(fā)了定制的生物打印機，并將設(shè)計作為開源硬件發(fā)布，還希望研究界能夠廣泛地采用。有望在未來幾年中導(dǎo)致針對多種疾病的新研究和最終治療。
該研究小組還表示現(xiàn)在正忙于繼續(xù)建立更復(fù)雜的心臟細胞模型-最初了解心肌的形成和功能，而且還希望長期替換心臟受損區(qū)域。
使用3D增材打印技術(shù)來復(fù)制心臟器官無論是對于治療還是器官移植僅僅只是開始，而在人體的其他部位進行的3D打印復(fù)制克服種種困難才是這項技術(shù)走向成熟的一刻，包括建立膠原蛋白支架來修復(fù)受損的骨骼肌，使氣管和其他組織再生、復(fù)制乳腺細胞改善乳腺癌的治療等還待科學(xué)家進一步的擴展
如果某一天國家發(fā)達到一定程度處于為民生著想而不是經(jīng)濟效益，癌癥不可治療也可能會變得不再可怕，那才是我未來美好生活的通行證。
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