研究人员发布了一种新的3D生物打印方法 使组织工程领域更接近于能够3D打印全尺寸成人心脏
来自卡内基梅隆大学的一组研究人员发表了一篇科学论文,其中详细介绍了一项新技术,允许任何人使用人体内主要结构蛋白胶原蛋白对组织支架进行3D生物打印。这种首创的方法使组织工程领域更接近于能够3D打印全尺寸的成人人类心脏。
这种被称为自由形式可逆嵌入悬浮水凝胶(FRESH)的技术使研究人员克服了与现有3D生物打印方法相关的许多挑战,并使用柔软和生物材料实现了前所未有的分辨率和保真度。
人体中的每个器官,例如心脏,是由称为细胞外基质(ECM)的生物支架保持在一起的特化细胞构建的。这种ECM蛋白质网络提供了细胞执行其正常功能所需的结构和生化信号。然而,到目前为止,还不可能使用传统的生物制造方法重建这种复杂的ECM架构。
“我们所展示的是,我们可以将细胞和胶原蛋白的碎片打印成真正起作用的部分,如心脏瓣膜或小心脏搏动,”生物医学工程(BME)教授Adam Feinberg说。卡内基梅隆大学的材料科学与工程专业,他的实验室完成了这项工作。“通过使用人类心脏的MRI数据,我们能够准确地再现患者特异性解剖结构和3D生物打印胶原蛋白和人类心脏细胞。”
美国有超过4000名患者正在等待心脏移植手术,而全球数百万患者需要心脏但不符合等候名单的资格。对更换器官的需求是巨大的,并且需要新的方法来设计能够修复,补充或替换长期器官功能的人造器官。Feinberg是Carnegie Mellon的生物工程机关倡议的成员,正在努力通过新一代生物工程器官来解决这些挑战,这些器官能够更紧密地复制天然器官结构。
“胶原蛋白是一种非常理想的3D打印生物材料,因为它可以弥补身体中的每一种组织,”BME博士的Andrew Hudson解释道。Feinberg实验室的学生和论文的共同第一作者。“然而,3D打印如此困难的原因在于它最初是流动的 - 所以如果你试图在空中打印它,它只会在你的构建平台上形成一个水坑。所以我们开发了一种技术来防止它变形了。“
在Feinberg实验室开发的FRESH 3D生物打印方法允许胶原蛋白逐层沉积在凝胶支持浴中,使胶原蛋白在从支撑浴中取出之前有机会固化。使用FRESH,在打印完成后,通过将凝胶从室温加热到体温,可以很容易地将支持凝胶熔化掉。通过这种方式,研究人员可以去除支撑凝胶,而不会损坏由胶原蛋白或细胞构成的印刷结构。
这种方法对于3D生物打印领域来说是非常令人兴奋的,因为它允许胶原支架在大规模的人体器官上打印。并且它不仅限于胶原蛋白,因为包括纤维蛋白,藻酸盐和透明质酸在内的各种其他软凝胶可以使用FRESH技术进行3D生物打印,从而提供强大且适应性强的组织工程平台。重要的是,研究人员还开发了开源设计,几乎任何人,从医学实验室到高中科学课程,都可以建立并获得低成本,高性能的3D生物打印机。
展望未来,FRESH在再生医学的许多方面都有应用,从伤口修复到器官生物工程,但它只是一个不断发展的生物制造领域的一部分。“真正我们所谈论的是技术的融合,”费因伯格说。“不仅仅是我的实验室在生物打印方面所做的工作,还包括干细胞科学,机器学习和计算机模拟领域的其他实验室和小公司,以及新的3D生物打印硬件和软件。”
“重要的是要了解有许多年的研究还有待完成,”费恩伯格补充说,“但是我们仍然应该感到非常兴奋,我们正朝着工程功能性人体组织和器官的方向取得真正的进展,而这篇论文是一步到位沿着那条路走。“
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