注入纖維的墨水使3D打印的心肌能夠跳動
時間：2023-08-14 19:19 來源：未知 作者：admin 閱讀：次
導讀：心臟病在全球是一個主要的死因之一。美國疾病控制與預防中心（CDC）表示，心血管疾病在美國發(fā)病率極高，每33秒就有一人死于心血管疾病。2021年，心血管疾病造成的死亡人數(shù)約占總數(shù)的五分之一，達到約69.5萬人。因此，對心臟病的治療研究變得尤為迫切。
這項技術(shù)的核心是注入明膠纖維的水凝膠。使用旋轉(zhuǎn)噴射紡絲技術(shù)生產(chǎn)出一片紡絲纖維，然后將其切割成微米尺寸的纖維，然后分散到水凝膠中。打印出所需的結(jié)構(gòu)后（考慮到纖維排列），發(fā)現(xiàn)心肌細胞（負責在心肌中攜帶收縮信號的細胞）沿著如此布置的圖案排列，最終形成能夠有組織收縮的心肌。
該技術(shù)的關(guān)鍵信息
●研究人員創(chuàng)造了一種新型水凝膠墨水，能夠用于實現(xiàn)功能性心室的3D打印。
●關(guān)鍵是在可打印油墨中添加明膠纖維。
●該研究小組發(fā)現(xiàn)，通過控制心肌細胞的打印方向，他們還能夠控制心肌細胞的排列方式。
3D打印與生物醫(yī)療發(fā)展
這并不是生物打印首次用于器官制造。由于器官捐贈的短缺，每天至少有17人在等待器官移植時喪生，盡管2022年發(fā)生了超過42萬例器官移植手術(shù)。為了解決這一挑戰(zhàn)，生物打印技術(shù)應運而生，它可以使用真實的細胞打印出活體器官部件。盡管研究仍在不斷進行中，但其可行性仍然存在一定難題。然而，通過成功地創(chuàng)建具有真實跳動功能的心臟組織，我們不僅可以制造用于研究的3D打印組織，還可能邁向能夠打印整個功能性心臟器官的新階段。
SEAS研究員、論文第一作者Suji Choi解釋道：“人們一直試圖復制器官的結(jié)構(gòu)和功能，以測試藥物的安全性和有效性，從而預測可能在臨床環(huán)境中出現(xiàn)的情況。這種特殊的墨水可以流經(jīng)打印噴嘴，但一旦打印出結(jié)構(gòu)，它將保持其3D形狀。正因為這些特性，我發(fā)現(xiàn)我們可以打印出類似心室的結(jié)構(gòu)以及其它復雜的3D形狀，而無需使用額外的支撐材料或支架。”
開發(fā)可用的3D打印心臟
哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員，展示了他們?nèi)绾伍_發(fā)一種名為注入凝膠（FIB）墨水的新型水凝膠墨水，其中注入了明膠纖維。
這種墨水被用于實現(xiàn)功能性心室的3D打印，甚至可以模仿真實人類心臟的跳動。與其它墨水不同，該墨水通過噴嘴打印，由于含有纖維，結(jié)構(gòu)在打印后能夠立即保持其3D形狀，無需額外的支撐材料或腳手架。
此外，該團隊可以控制打印方向，以控制心肌細胞的排列方式。在施加電刺激后，這個結(jié)構(gòu)會觸發(fā)與纖維方向一致的協(xié)調(diào)收縮波，類似于泵送。雖然這個版本相對簡化且小型化，但研究人員正在努力構(gòu)建更具厚度的、更逼真的心臟組織。目前，3D打印的心室已能夠泵送比以前的3D打印心臟多5至210倍的液體量，為構(gòu)建心臟瓣膜、雙腔微型心臟等開辟了新途徑。
該論文的資深作者、塔爾家族生物工程和應用物理學教授、SEAS疾病生物物理學組負責人Kevin “Kit” Parker總結(jié)道：“FIB只是我們?yōu)樵霾闹圃扉_發(fā)的一種工具。隨著我們繼續(xù)探索構(gòu)建用于再生治療的人體組織，我們正在開發(fā)其他方法。我們的目標不是被工具所驅(qū)動，而是在尋找更優(yōu)構(gòu)建生物學方法的過程中，我們與工具相輔相成。”
△使用注入了纖維的墨水進行3D打印，成功模擬了心肌的跳動
2023年8月14日，哈佛大學的科學家在生物打印領(lǐng)域取得了重大突破。該團隊宣稱，通過將特殊纖維注入墨水，成功地3D打印出一個能夠模仿人類心臟跳動的功能性心室。
這項技術(shù)的核心是注入明膠纖維的水凝膠。使用旋轉(zhuǎn)噴射紡絲技術(shù)生產(chǎn)出一片紡絲纖維，然后將其切割成微米尺寸的纖維，然后分散到水凝膠中。打印出所需的結(jié)構(gòu)后（考慮到纖維排列），發(fā)現(xiàn)心肌細胞（負責在心肌中攜帶收縮信號的細胞）沿著如此布置的圖案排列，最終形成能夠有組織收縮的心肌。
該技術(shù)的關(guān)鍵信息
●研究人員創(chuàng)造了一種新型水凝膠墨水，能夠用于實現(xiàn)功能性心室的3D打印。
●關(guān)鍵是在可打印油墨中添加明膠纖維。
●該研究小組發(fā)現(xiàn)，通過控制心肌細胞的打印方向，他們還能夠控制心肌細胞的排列方式。
△在另一個項目中，哈佛大學研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)的合成心臟瓣膜
3D打印與生物醫(yī)療發(fā)展
這并不是生物打印首次用于器官制造。由于器官捐贈的短缺，每天至少有17人在等待器官移植時喪生，盡管2022年發(fā)生了超過42萬例器官移植手術(shù)。為了解決這一挑戰(zhàn)，生物打印技術(shù)應運而生，它可以使用真實的細胞打印出活體器官部件。盡管研究仍在不斷進行中，但其可行性仍然存在一定難題。然而，通過成功地創(chuàng)建具有真實跳動功能的心臟組織，我們不僅可以制造用于研究的3D打印組織，還可能邁向能夠打印整個功能性心臟器官的新階段。
SEAS研究員、論文第一作者Suji Choi解釋道：“人們一直試圖復制器官的結(jié)構(gòu)和功能，以測試藥物的安全性和有效性，從而預測可能在臨床環(huán)境中出現(xiàn)的情況。這種特殊的墨水可以流經(jīng)打印噴嘴，但一旦打印出結(jié)構(gòu)，它將保持其3D形狀。正因為這些特性，我發(fā)現(xiàn)我們可以打印出類似心室的結(jié)構(gòu)以及其它復雜的3D形狀，而無需使用額外的支撐材料或支架。”
△該研究題目為“注入纖維的凝膠支架引導3D打印心室中的心肌細胞排列”（傳送門）
開發(fā)可用的3D打印心臟
哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員，展示了他們?nèi)绾伍_發(fā)一種名為注入凝膠（FIB）墨水的新型水凝膠墨水，其中注入了明膠纖維。
這種墨水被用于實現(xiàn)功能性心室的3D打印，甚至可以模仿真實人類心臟的跳動。與其它墨水不同，該墨水通過噴嘴打印，由于含有纖維，結(jié)構(gòu)在打印后能夠立即保持其3D形狀，無需額外的支撐材料或腳手架。
此外，該團隊可以控制打印方向，以控制心肌細胞的排列方式。在施加電刺激后，這個結(jié)構(gòu)會觸發(fā)與纖維方向一致的協(xié)調(diào)收縮波，類似于泵送。雖然這個版本相對簡化且小型化，但研究人員正在努力構(gòu)建更具厚度的、更逼真的心臟組織。目前，3D打印的心室已能夠泵送比以前的3D打印心臟多5至210倍的液體量，為構(gòu)建心臟瓣膜、雙腔微型心臟等開辟了新途徑。
該論文的資深作者、塔爾家族生物工程和應用物理學教授、SEAS疾病生物物理學組負責人Kevin “Kit” Parker總結(jié)道：“FIB只是我們?yōu)樵霾闹圃扉_發(fā)的一種工具。隨著我們繼續(xù)探索構(gòu)建用于再生治療的人體組織，我們正在開發(fā)其他方法。我們的目標不是被工具所驅(qū)動，而是在尋找更優(yōu)構(gòu)建生物學方法的過程中，我們與工具相輔相成。”
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