3D打印定制化心臟補片以及整個“心臟”

供稿人:趙廷澤 連芩
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

心血管疾病是引起人類死亡的主要原因之一。到目前為止，心臟移植是治療終末期心衰的唯一方法。但是由于心臟供體的數(shù)量有限，因此需要開發(fā)新的方法來再生心臟。心臟組織工程的出現(xiàn)為此提供了一種極具潛力的方法。它通過使用心臟細胞和三維生物材料制成一個臨時的支架，支撐細胞并促進細胞再生成為功能組織。在體外成熟后，可以將設計好的心臟補片移植到缺陷的心臟上。當與宿主完全融合開始時，生物材料逐漸降解，留下一個具有活性和功能的補丁，再生心臟。

以色列特拉維夫大學的研究人員通過生物3D打印的技術(shù)，使用患者自身的細胞成功制造了一個可以血管化且可灌流的心臟補片。首先，研究人員使用CT得到患者左心室血管的三維結(jié)構(gòu)。為了將三維心臟補片貼合到患者的左心室，研究人員根據(jù)CT圖像，運用CAD軟件，設計了補片的尺寸和血管的幾何形狀。脫細胞外基質(zhì)作為主要生物墨水制造心臟補片的主體結(jié)構(gòu)，并使用明膠作為犧牲墨水制造血管結(jié)構(gòu)，整個制造過程通過一臺生物3D打印機完成。

圖1 生物3D打印心臟補片過程與患者左心室補片模型建立

為了評估打印的補片在生物體內(nèi)的存在和形態(tài)，研究人員將補片植入大鼠的兩層網(wǎng)膜（與胃相連系的腹膜褶，有大網(wǎng)膜和小網(wǎng)膜）之間。7天后取出并觀測?？梢娫诮M織中具有打印的管腔，且細胞被拉長，有大量的條紋，這說明它們很有可能具有了收縮的能力。研究結(jié)果證明了使用患者細胞，通過3D打印制造完全定制化的具有收縮功能的心臟補片的能力。這種方法可以制造具有幾個毫米的厚結(jié)構(gòu)，而這足以滿足臨床相關(guān)的心臟補片。

考慮到制造更大更復雜的組織時，上述的制造策略由于生物墨水無法承受其支架重量，研究人員提出了另一種制造策略，即制造一個帶有主要血管結(jié)構(gòu)的小型仿生“心臟”（高20mm直徑14mm）。如圖2所示，通過將3D打印的結(jié)構(gòu)沉積在一個支撐浴之中以支撐支架的重量，打印結(jié)束后固化支架結(jié)構(gòu)的同時，去除支撐浴材料，以此獲得體積更大更復雜的組織工程結(jié)構(gòu)。

圖2 支撐浴打印策略與小型仿生“心臟”結(jié)構(gòu)

參考文獻：
Noor, N.; Shapira, A.; Edri, R.; Gal, I.; Wertheim, L.; Dvir, T., 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts. Advanced Science 2019, 6 (11).