3D打印，实现人体复杂心脏的打印

文/陈根

心脏，绝对算得上是人体中结构最复杂、精密的器官之一。心脏是胚胎中首先形成的具有功能的器官，起源于脏壁中胚层（Splanchnic mesoderm）。

心脏结构的复杂性，远超人们的想象。在预心血管中胚层特化之后，子代在胚胎中线两侧形成双侧心脏形成区。心脏形成区的细胞穿过中线并融合到心脏管，心脏管由心肌层和心内膜两层细胞组成。之后，心脏管进行成环定位未来的心室结构。正因如此，长期以来，虽然科学家成功在体外培养出了多种器官的类器官模型，但却在心脏类器官上进展缓慢。

现在，来自中科院等机构的研究人员则宣布，他们利用六轴机器人改造而成的新型生物打印机和特殊的细胞打印方法，突破了传统3D打印的平层局限，在复杂血管支架上打印出了具有正常细胞周期和功能的心肌组织。该组织上面的细胞存活率和人工操作相同，都有98%。

过去，对于生物3D打印技术来说，一方面，生物3D打印只能逐层打印，也就没法让细胞和血管网络进行融合，从而导致细胞缺少营养而没法长期存活；另一方面，在墨水中添加的固定细胞的材料，也会影响细胞功能和存活时间。

为此，本次研究中，科学家们抛弃传统的3D打印机，用六轴机器人改造了一个可以360度自由转动的全新工具，对细胞进行全方位打印。

与传统的笛卡尔生物打印机和电磁式细胞喷射打印机相比，这种机器人打印机还不会对细胞造成机械损伤。在此之上，科学家还设计出了一种油浴打印方法，可以让打印出来的细胞在矿物油的疏水作用力下，不受重力影响，从而稳定粘附在生物支架的任意表面，并与周边细胞紧密连接。

为了遵从组织器官发育的规律，机器人在血管支架上打印出几层细胞后，会先让两者进行培养，形成胞间连接和新生毛细血管后，再打印新的细胞。如此循环，就能在心脏内形成与体内器官类似的血管网络，从而支持组织的长期存活。

在具体实践中，实验人员用两台六轴机器人在血管支架上进行血管内皮细胞和心肌细胞的打印。最终，打印出的完整内皮层，可在生血管因子的辅助下生长出新血管和毛细血管网络；打印的心肌细胞也能在很快形成间隙连接，维持6个月的规律性搏动。

实际上，虽然人类从十多年前就能在培养皿中培育像大脑、内脏和肝脏这样的“微型器官”，但类心脏器官却一直是很大的挑战。此次研究的突破将帮助研究人员更多了解人类心脏，也使得人们可以更加针对性地开发新药，并对临床试验的结果有更大的把握。