《Science》：生物3D打印技术构建功能化心脏组织构件

《Science》：生物3D打印技术构建功能化心脏组织构件

生物3D打印技术在医学领域的应用一直是科研人员关注的焦点。近日，卡内基梅隆大学A. W. Feinberg教授团队在《Science》上发表了一篇重要研究，介绍了一种使用3D生物打印技术构建复杂胶原蛋白支架的方法，用于工程化生物组织。研究人员使用改进的FRESH v2.0技术，通过控制pH值驱动胶原蛋白自组装，实现了20微米的打印分辨率，并构建了从毛细血管到完整器官不同尺度的模型。这项技术为构建具有结构、机械和生物学特性的复杂组织支架开辟了新的可能性，并最终可能用于治疗器官衰竭等疾病。

研究背景与意义

目前，挤出式3D打印面临着直接打印活细胞和软性生物材料（如细胞外基质蛋白）的挑战，这限制了构建具有复杂结构和功能的组织或器官支架的能力。针对这个问题，卡内基梅隆大学的A. W. Feinberg教授团队在《Science》上发表了“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”。

核心技术突破

这项研究展示了使用生物3D打印技术，精确控制胶原蛋白的组成和微观结构，构建了人体心脏组织构件的能力。通过调整pH值驱动胶原蛋白自组装，该技术实现了20微米的细丝分辨率，并构建了具有复杂结构和功能的组织结构，包括可灌注的血管网络和具有收缩功能的心室模型。

关键技术细节

分辨率提升

该研究使用更小的明胶微球作为支撑材料，从而减小了支撑材料的尺寸和分散度，使得胶原蛋白细丝的分辨率从250微米提升到20微米。这种高分辨率使得打印出的组织支架能够更好地模拟天然组织的微观结构，为构建复杂功能化组织构件奠定了基础。

血管化能力

研究中打印出的胶原蛋白支架具有微孔结构，为细胞提供了更好的生长环境，而灌注培养则进一步促进了细胞生长和血管形成，为构建功能性血管网络提供了重要支撑。此外，添加VEGF能够进一步增强血管化程度，证明了该技术具有构建功能性血管网络的能力。

功能性验证

打印出的心室模型能够进行同步收缩，并具有方向性的动作电位传播，壁厚变化等特性，展现出与天然心脏相似的功能。这表明该技术能够构建出具有收缩功能的心肌组织，为心脏疾病的修复和再生提供新的可能性。

复杂结构构建

该技术能够构建更大规模的心脏组织构件，包括瓣膜、血管网络和新生儿心脏模型。研究结果表明，打印出的瓣膜具有良好的机械强度和功能，而打印的血管网络和心脏模型能够重现复杂的解剖结构和功能，证明了该技术在构建复杂心脏组织构件方面的潜力。

总结与展望

该研究利用改进的生物3D打印技术，精确控制胶原蛋白的组成和微观结构，成功地构建了从毛细血管到完整器官的多尺度心脏组织模型。这些模型不仅精确复制了患者的特定解剖结构，而且打印的心脏室在人源心肌细胞的驱动下表现出同步收缩、定向动作电位传播和峰值收缩期壁增厚等生理功能，为心脏组织工程和再生医学提供了新的可能性。

文献原文：10.1016/j.cell.2024.04.023
文献链接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00448-3