3D打印的人類心臟：質感足以亂真

在近期的一項新研究中，科學家利用一項新的技術對心臟進行掃描，然后在凝膠中重建了心臟結構。這一過程有點像制作果凍，但在醫學上有著非常重要的意義。

在HBO的科幻劇《西部世界》中，3D打印機已經可以大量生產出人形機器人，并精細地組裝成復雜得令人難以置信的人類形態。這些機器人可以做出和人類幾乎一樣的行為。當然，實現這些需要大量的生物力學工作，以確保身體各部位的協調。這項新研究是一個里程碑，標志著兩年來該領域研究的高潮，為外科醫生和臨床醫生帶來了希望，也為生物工程器官的研究帶來了長期的影響。人類朝著制造出活組織人工器官又邁進了一步。

近日，在《ACS生物材料科學與工程》雜志上，一個研究團隊描述了他們如何利用低成本的3D打印機和磁共振掃描數據，制作出人類心臟的可變形全尺寸模擬物。換言之，你可以把它拿在手里，捏一下，會有非常真實的質感;切開它，你能找到心房和心室。這種人工心臟的出現，將有助于外科醫生在手術前更好地練習心臟手術，也可能最終導致全功能3D打印心臟的出現，并為醫療設備開發商提供一個前所未有的平臺，用來測試他們的產品。研究人員將他們的技術稱為“自由式可逆嵌入懸浮水凝膠”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels，簡稱FRESH）。首先，他們對一顆真正的心臟進行掃描，然后將數據轉換成3D打印機可以讀取的格式。由于3D打印機的工作原理是一層一層地疊加材料，因此他們通過一個切片器程序來運行3D圖像。美國卡內基梅隆大學的生物醫學工程師亞當·范伯格（Adam Feinberg）說：“對于每一層，程序基本上定義了材料將被擠壓的路徑，然后將這些路徑輸入3D打印機。”

這臺3D打印機利用海藻酸鹽作為打印材料，這是一種從海藻中提取的黏糊糊的物質。研究人員之所以選擇海藻酸鹽，是因為其成本較低，而且與人類心臟組織的材料特性相似。不過，這臺打印機并沒有像普通的3D打印機那樣將成品擠壓到空氣中，而是將人工心臟擠壓到一個裝有支撐凝膠（主要是明膠）的容器中。

“打個比方，想象你是在發膠的內部打印，”范伯格說道。你可以回想一下懸浮在凝膠瓶中的小氣泡——這些膠狀物質提供了足夠的支撐，使它們無限期地漂浮，或者至少保持到你把凝膠擠出瓶子之前。對于FRESH，明膠提供了足夠的空間讓3D打印機的針滑過。范伯格說：“無論擠壓出什么東西，它都會固定在某個地方，就像發膠里的那些氣泡。”

在心臟器官打印完成后，研究人員需要一種方法來溶解其周圍的凝膠格架，他們使用了一種很常見的方法。“我想很多人都有過在烘焙或制作果凍時使用明膠的經歷，”范伯格說，“當你加熱明膠時，它實際上是一種液體，但當你冷卻它時，它又變成了固體凝膠。我們利用了這一點。”當打印完畢，準備提取人工心臟時，范伯格所要做的就是將浴液升高到體溫，融化支撐凝膠，只留下3D打印結構。

在以往的醫療實踐中，已經有外科醫生在計劃手術前使用基于病人自身器官掃描的3D打印心臟。但這些人工心臟都是用舊的方法，由硬塑料制成。相比之下，這種新型海藻酸鹽心臟具有與真實組織相似的彈性。“當你擠壓它時，它會發生同樣程度的形變，這顯然比硬橡膠或塑料的形變大得多，”范伯格說。這也使其成為一種更加真實的工具，可供外科醫生練習縫合等手術操作，這在無法穿透的塑料上是不可能的。

此外，該團隊還使用同樣的技術3D打印了冠狀動脈的一個單獨部分，觀察它是否可以灌注，或者說能否攜帶血液。果然，當研究人員泵入假血時，這個人工動脈并不會漏出液體。范伯格表示，這是很重要的一步，我們越來越接近開發出血管相互連接的人工心臟。利用這種心臟，外科醫生就可以在有血液流動的情況下練習縫合動脈。

此外，研究團隊還希望最終能將打印出來的心臟“細胞化”，或是將人類心臟肌肉細胞添加到這個結構中，讓它像真實的心臟一樣跳動。科學家已經在實驗室中培育干細胞，并使其分化為心臟細胞。問題是，至少在目前，他們一次只能制造約1億個細胞，但一個正常大小的心臟需要約1000億個細胞。不過，范伯格指出：“一旦這個問題解決，就可以用上我們現在所使用的這種制造技術了。”

那么，什么時候才能獲得可操作的3D生物打印器官呢？“答案是10年以上，”范伯格說，“在實現這一目標之前，我們還有很多事情要做。”畢竟，心臟是一個非常復雜、充滿血管的器官，他們需要將動脈的工作擴展至整個心臟;而如果想要讓人工心臟真正像人體器官一樣工作，還需要實驗室細胞生產技術的進步。

與此同時，這些3D打印心臟的早期產品已經可以幫助外科醫生更好地為手術做準備。“他們實際上擁有了更高的觸覺保真度，這一點是非常重要的，”心臟重癥監護醫生莉莉安·蘇（Lillian Su）說道。她曾將3D打印作為一種培訓工具進行研究，但沒有參與這項工作。外科醫生甚至可以使用一顆定制的3D打印心臟來與病人及其家人溝通，向他們解釋手術將如何進行。“我認為這種材質是真正新奇的部分，”莉莉安·蘇補充道，“我認為家屬們會要求了解外科醫生對于一個特定病例的計劃，這將是同意過程的一部分。”

在未來，醫院或許將以更低廉的價格提供這種技術，因為一顆海藻酸鹽心臟的材料成本可能只需10美元。范伯格和他的同事們還希望能用不同的材料進行實驗，比如用膠原蛋白打印的心臟可能會更加逼真，因為膠原蛋白本身就是構成結締組織的蛋白質，是人體結構的組成部分。事實上，就干重而言，我們身體里的膠原蛋白比其他任何東西都多。但問題是，膠原蛋白要貴得多——同樣的活組織打印心臟需要花費2000美元。

當然，在復雜的心臟手術計劃中，2000美元只是最低的投資。“實際上，我們認為，在許多應用中，膠原蛋白的真實感可能是值得的，”范伯格說，“但當你在實驗室做研究時，特別是如果你在開發這項技術時會犯很多錯誤的話，我們首先還是會關注海藻酸鹽。”

范伯格的近期目標是與外科醫生和臨床醫生合作，對他們的技術進行微調，確保能在醫院環境下使用。“我們現在可以建立一個模型，不僅可以進行視覺規劃，還可以進行物理實踐，”他說，“外科醫生可以操縱它，使它像真實組織一樣產生反應。這樣，當他們進入手術部位時，已經事先有了一次額外的實際操作。”

該研究的主要作者埃曼·米爾達瑪蒂（Eman Mirdamadi）補充道：“盡管在生物打印全尺寸功能性人類心臟方面仍然存在重大障礙，但我們很自豪能夠利用這一新的平臺為該領域奠定基礎，同時展示其在現實中外科手術模擬方面的即時應用。”