3D打印

3D打印的人类心脏:质感足以乱真

viking666.com   2020年11月25日

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

  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。

  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》(ACS Biomaterials Science & Engineering)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”(Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels,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(Adam Feinberg)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(Lillian Su)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(Eman Mirdamadi)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。”

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