《Nature Materials》：科學家定制纖維復合凝膠墨水，可3D打印出仿生心臟模型
時間：2023-08-02 16:54 來源：未知 作者：admin 閱讀：次
導讀：在過去十年間，生物組織工程領域取得了許多引人矚目的成果。如今，科學家們將目光轉向3D 打印心臟組織，深入研究如何對抗心臟病，根據個體患者的獨特需求定制治療方案，甚至設想有一天可能通過外植入物修復或替換患者心臟的受損部分。
2023年8月1日，在哈佛大學 John A. Paulson
工程與應用科學學院(SEAS)領導的一項具有里程碑意義的研究中，研究人員開發了一種新方法來 3D
打印模仿人類心臟跳動的生物結構。得益于將水凝膠與預制明膠纖維相結合的纖維注入凝膠 (FIG) 墨水，他們可以精確打印心室的 3D
模型，而無需額外的支撐材料。
這項研究的詳細信息以題為“Fibre-infused gel scaffoldsguide
cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles”的論文被發表在《自然材料》上，由Suji
Choi, Keel Yong Lee等人聯合撰寫。。
相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01611-3
論文指出，在 3D 打印過程中，纖維會以一種類似于實際心臟組織的模式排列，這對于心臟細胞（心肌細胞）是有利的。因此，打印的心臟模型表現出與真實心臟相似的特性，例如它們如何導電和收縮。未來，這項技術可以進一步調整，以創建更復雜、更實用的心臟模型。
這項工作的意義在于，它引入了一種3D打印心臟組織的新穎方法，更接近于復制真實心臟的復雜結構和功能。通過在水凝膠中添加明膠纖維，研究團隊可以創建更詳細、更準確的心臟模型。這在醫學研究、藥物測試以及可能的未來治療中具有潛在的應用。研究小組表示，該方法仍有改進的空間，進一步的研究將嘗試增強其能力，包括引入多種細胞類型或更好地模擬血管。
SEAS 的研究員、該論文的第一作者Suji Choi
指出了他們在努力復制器官結構用于藥物測試時所面臨的挑戰：“人們一直在嘗試復制器官結構和功能來測試藥物的安全性和有效性，以此來預測臨床環境中可能發生的情況。但到目前為止，僅靠
3D 打印技術還無法實現心肌細胞的生理相關排列，心肌細胞負責以協調的方式傳輸電信號以收縮心肌。”
此外，這項研究的關鍵之處在于纖維與可打印墨水的融合，無需外部支撐即可創建復雜的 3D 形狀。
Choi 解釋道：“FIG 墨水能夠流過打印噴嘴，但一旦打印出結構，它就會保持其 3D 形狀。由于這些特性，我發現可以打印類似心室的結構和其他復雜的 3D 形狀，而無需使用額外的支撐材料或支架。”
FIG墨水的起源是各種思想的交匯。博士后研究員 Luke MacQueen 建議將通過新型旋轉噴射紡絲技術制成的纖維與墨水混合。這種方法比傳統的靜電紡絲技術要好得多，可以保留可能在電場中降解的蛋白質。
△墨水成分示意圖如圖所示。圖片由《自然材料》期刊提供
在正在進行的實驗中，Choi 發現，當對這些 3D 打印結構施加電刺激時，它會產生模仿真實心室節律的協調收縮波。該團隊聲稱，他們立即就看到了該技術的潛力：心室能夠泵送比以前模型多 5 至 20 倍的液體量。
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 疾病生物物理學小組負責人凱文·“基特”·帕克
(Kevin“Kit” Parker) 說道：“我們啟動這個項目是為了解決生物組織 3D 打印的一些不足之處。當 Luke
提出這個概念時，他的愿景是通過將打印精度降低至納米尺度，擴大 3D
打印機可打印的空間尺度范圍。通過旋轉噴射紡絲而不是靜電紡絲生產纖維的優點是，我們可以使用會被靜電紡絲電場降解的蛋白質材料。”
盡管團隊承認原型的局限性，但他們看到了巨大的潛力。事實上，人們已經在努力設計更逼真的心臟組織，并且人們對使用這種方法構建更復雜的心臟結構（如心臟瓣膜和雙腔迷你心臟）持樂觀態度。此外，帕克還強調了該團隊致力于開發用于再生療法的人體組織。
近年來，生物工程領域還涌現了許多其他值得關注的努力。例如，特拉維夫大學的研究人員在2019
年利用患者細胞3D 打印心臟貼片，實現了包含血管和心室的復雜結構，從而引起了轟動。同樣，明尼蘇達大學2017 年的一項舉措依靠定制 3D
打印機制作栩栩如生的人造心臟模型，展示現在可以復制的復雜解剖細節。然而，哈佛大學研究人員描述的新方法是獨一無二的。該項目得到了眾多受人尊敬的機構的大力支持，包括美國國家科學基金會(NSF)
和美國國立衛生研究院(NIH) 的哈佛海洋工程學院(Harvard SEAS) 認為生物工程的未來一片光明。
(責任編輯：admin)
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