3D打印的人类心脏质感足以乱真

　　北京时间11月25日消息，在近期的一项新研究中，科学家利用一项新的技术对心脏进行扫描，然后在凝胶中重建了心脏结构。这一过程有点像制作果冻，但在医学上有着非常重要的意义。
　　这种以海藻酸盐为原料的3D打印心脏有着和真实心脏一样的手感
　　在HBO的科幻剧《西部世界》中，3D打印机已经可以大量生产出人形机器人，并精细地组装成复杂得令人难以置信的人类形态。这些机器人可以做出和人类几乎一样的行为。当然，实现这些需要大量的生物力学工作，以确保身体各部位的协调。这项新研究是一个里程碑时刻，标志着两年来该领域研究的高潮，为外科医生和临床医生带来了即时的希望，也为生物工程器官研究的未来带来了长期的影响。人类朝着制造出活组织人工器官又迈进了一步。
　　近日，在《ACS生物材料科学与工程》（ACSBiomaterialsSEngineering）杂志上，一个研究团队描述了他们如何利用低成本的3D打印机和磁共振扫描数据，制作出人类心脏的可变形全尺寸模拟物。换言之，你可以把它拿在手里，捏一下，会有非常真实的质感；切开它，你能找到心房和心室。这种人工心脏的出现，将有助于外科医生在手术前更好地练习心脏手术，也可能最终导致全功能3D打印心脏的出现，并为医疗设备开发商提供一个前所未有的平台，用来测试他们的产品。
　　从核磁共振扫描到海藻酸盐3D打印心脏的变化过程，可以看到完好的内部结构
　　研究人员将他们的技术称为自由式可逆嵌入悬浮水凝胶（FreeformReversibleEmbeddingofSuspendedHydrogels，简称FRESH）。首先，他们对一颗真正的心脏进行扫描，然后将数据转换成3D打印机可以读取的格式。由于3D打印机的工作原理是一层一层地叠加材料，因此他们通过一个切片器程序来运行3D图像。论文作者之一、美国卡内基梅隆大学的生物医学工程师亚当范伯格（AdamFeinberg）说：对于每一层，程序基本上定义了材料将被挤压的路径，然后将这些路径输入3D打印机。
　　这台3D打印机利用海藻酸盐作为打印材料，这是一种从海藻中提取的黏糊糊的物质。研究人员之所以选择海藻酸盐，是因为其成本较低，而且与人类心脏组织的材料特性相似。不过，这台打印机并没有像普通的3D打印机那样将成品挤压到空气中，而是将人工心脏挤压到一个装有支撑凝胶（主要是明胶）的容器中。
　　3D打印出来的心脏冠状动脉部分，右边为充满假血的状态
　　打个比方，想象你是在发胶的内部打印，范伯格说道。你可以回想一下悬浮在凝胶瓶中的小气泡这些胶状物质提供了足够的支撑，使它们无限期地漂浮，或者至少保持到你把凝胶挤出瓶子之前。对于FRESH，明胶提供了足够的空间让3D打印机的针滑过。范伯格说：无论挤压出什么东西，它都会固定在某个地方，就像发胶里的那些气泡。
　　在心脏器官打印完成后，研究人员需要一种方法来溶解其周围的凝胶格架，他们使用了一种很常见的方法。我想很多人都有过在烘焙或制作果冻时使用明胶的经历，范伯格说，当你加热明胶时，它实际上是一种液体，但当你冷却它时，它又变成了固体凝胶。我们利用了这一点。当打印完毕，准备提取人工心脏时，范伯格所要做的就是将浴液升高到体温，融化支撑凝胶，只留下3D打印结构。
　　亚当范伯格及其团队开发的3D生物打印心脏模型
　　在以往的医疗实践中，已经有外科医生在计划手术前使用基于病人自身器官扫描的3D打印心脏。但这些人工心脏都是用旧的方法，由硬塑料制成。相比之下，这种新型海藻酸盐心脏具有与真实组织相似的弹性。当你挤压它时，它会发生同样程度的形变，这显然比硬橡胶或塑料的形变大得多，范伯格说。这也使其成为一种更加真实的工具，可供外科医生练习缝合等手术操作，这在无法穿透的塑料上是不可能的。
　　此外，该团队还使用同样的技术3D打印了冠状动脉的一个单独部分，观察它是否可以灌注，或者说能否携带血液。果然，当研究人员泵入假血时，这个人工动脉并不会漏出液体。范伯格表示，这是很重要的一步，我们越来越接近开发出血管相互连接的人工心脏。利用这种心脏，外科医生就可以在有血液流动的情况下练习缝合动脉。
　　此外，研究团队还希望最终能将打印出来的心脏细胞化，或是将人类心脏肌肉细胞添加到这个结构中，让它像真实的心脏一样跳动。科学家已经在实验室中培育干细胞，并使其分化为心脏细胞。问题是，至少在目前，他们一次只能制造约1亿个细胞，但一个正常大小的心脏需要约1000亿个细胞。不过，范伯格指出：一旦这个问题解决，就可以用上我们现在所使用的这种制造技术了。
　　当打印完毕，准备提取人工心脏时，范伯格所要做的就是将浴液升高到体温，融化支撑凝胶，只留下3D打印结构
　　那么，什么时候才能获得可操作的3D生物打印器官呢？答案是10年以上，范伯格说，在实现这一目标之前，我们还有很多事情要做。毕竟，心脏是一个非常复杂、充满血管的器官，他们需要将动脉的工作扩展至整个心脏；而如果想要让人工心脏真正像人体器官一样工作，还需要实验室细胞生产技术的进步。
　　与此同时，这些3D打印心脏的早期产品已经可以帮助外科医生更好地为手术做准备。他们实际上拥有了更高的触觉保真度，这一点是非常重要的，心脏重症监护医生莉莉安苏（LillianSu）说道。她曾将3D打印作为一种培训工具进行研究，但没有参与这项工作。外科医生甚至可以使用一颗定制的3D打印心脏来与病人及其家人沟通，向他们解释手术将如何进行。我认为这种材质是真正新奇的部分，莉莉安苏补充道，我认为家属们会要求了解外科医生对于一个特定病例的计划，这将是同意过程的一部分。
　　在未来，医院或许将以更低廉的价格提供这种技术，因为一颗海藻酸盐心脏的材料成本可能只需10美元。范伯格和他的同事们还希望能用不同的材料进行实验，比如用胶原蛋白打印的心脏可能会更加逼真，因为胶原蛋白本身就是构成结缔组织的蛋白质，是人体结构的组成部分。事实上，就干重而言，我们身体里的胶原蛋白比其他任何东西都多。但问题是，胶原蛋白要贵得多同样的活组织打印心脏需要花费2000美元。
　　当然，在复杂的心脏手术计划中，2000美元只是最低的投资。实际上，我们认为，在许多应用中，胶原蛋白的真实感可能是值得的，范伯格说，但当你在实验室做研究时，特别是如果你在开发这项技术时会犯很多错误的话，我们首先还是会关注海藻酸盐。
　　范伯格的近期目标是与外科医生和临床医生合作，对他们的技术进行微调，确保能在医院环境下使用。我们现在可以建立一个模型，不仅可以进行视觉规划，还可以进行物理实践，他说，外科医生可以操纵它，使它像真实组织一样产生反应。这样，当他们进入手术部位时，已经事先有了一次额外的实际操作。
　　该研究的主要作者埃曼米尔达玛蒂（EmanMirdamadi）补充道：尽管在生物打印全尺寸功能性人类心脏方面仍然存在重大障碍，但我们很自豪能够利用这一新的平台为该领域奠定基础，同时展示其在现实中外科手术模拟方面的即时应用。