3D打印软体部位不再是梦想

人是湿湿软软的。这对试图构建人工组织和器官的研究人员来说,是个问题。而这个问题可能刚刚已经被两个独立的工程师团队解决了。在宾夕法尼亚州匹兹堡的卡内基梅隆大学由生物医学工程师亚当•费恩伯格领导的研究小组,通过利用蛋黄酱的粘稠稳定性作为支持,实现了在自身重压下也不倒塌的生物材料的3D打印。而这是打印软体部位一直以来就有的一个难题。一旦打印出来,这个结构足够结实来支撑自己的重量,而且可以通过融化支持性粘性物质来恢复这个结构。另一个组,来自盖恩斯维尔的弗洛里达大学,他们也有个类似的打印系统,但是他们并没有利用可融粘性物质这一技巧。 位于美国北卡罗莱纳温斯顿塞勒姆的Wake Forest医学协会的组织工程师兼主任安东尼阿塔拉说,卡内基梅隆团队能够打印的身体部位——包括大脑和心脏的模型——比以往能打印的东西都要复杂。安东尼并未参与这两个项目。他说,「我认为这会是开启更多通往未来研发道路的一个策略。」 在这之前,这类研究大部分都是为了使用严格的3D打印材料来制作假肢,这些假肢有些甚至被植入了人体内。它们形式多样,比如用钛板去替代缺了的一块头骨,用可溶解的气管夹板来撑开塌陷了的通气道等等。有一些组则一直在研究制造更黏湿的组织。他们用糖或者蛋白质调制成的水凝胶构成初始结构,然后在这个基质里培养细胞。这些活细胞要么是打印进去的,要么是后期添加进去的。 为了形成基质,科学家们用打印机喷嘴喷出液体分子,然后通过化学物质或者光刺激等曝光手段,使得液体分子变成具备不同稳定性的凝胶。但是这些混合物常常在达到功能性器官的塑形硬度要求之前就流散了或者崩溃了。 为了解决这个问题,费恩伯格和他的同事们决定用混合胶原蛋白浆制作凝胶。他们的新方法——悬浮凝胶的自由可逆嵌入(FRESH)——成功了。胶原蛋白浆,在室温下是半固体形态,它能帮助固定住打印物知道它们变硬。他们今天在《科学进展》中说,因为这个浆的熔点要比打印物的熔点低很多,一旦温度达到37°C (99°F),它就会自动融掉。上个月同样在这个杂志上,弗洛里达大学的托马斯安吉里尼实验室描述了通过用合成材料制成的凝胶来做支撑的一个类似的打印方法,而这个凝胶他们是用水冲走的。 为了使用FRESH系统,费恩伯格和他的同事们基于磁共振成像和显微镜图像打印了实体器官的副本。他们创造了一个微型的人类大脑,一个放大版的小鸡心脏,这两个都差不多一个硬币大小。他们还打印了一个带分支模型的动脉,这个动脉壁只有不到一毫米厚。这个团队打印结构时用了一系列的材料,包括胶原蛋白和纤维蛋白——人体中发现的结构蛋白——以及从海草中提取的藻酸盐。藻酸盐被广泛用在食品、工业和药品中,充当增稠剂。虽然更复杂的结构是仅仅用一种材料制造的,但是FRESH系统能够同时打印多种材料。 康奈尔大学的生物医学工程师乔纳森布切尔,他一直在用另一个方法3D打印心脏瓣膜。他觉得那个动脉树太让人印象深刻了。「我不知道用我们的方法我们能不能打印出那种几何图形来,」布切尔说,「他们所能制造的材料的复杂度,实在让人吃惊。」 而且,费恩伯格和他的同事通过利用开源的机器和软件,使得方法变得非常便宜。他们刚开始的时候,用的是一个不太贵的商业打印机,然后用它来做了个定制的机头。费恩伯格实验室的一个研究生,也就是这项研究的第一作者,托马斯辛顿说,其他研究员现在花不超过500美元就能实现一个基础的FRESH系统。 FRESH系统下一个主要的难题是往凝胶基质里放活细胞。费恩伯格和他的同事通过打印肌肉细胞已经证明了细胞能够在FRESH系统里存活。但是文章之前所说的器官模型里并没有细胞,它们仅仅是模仿了身体器官的外表。要想在身体内也能发挥它们的功能,打印组织必须往自身的结构里繁衍活细胞,或者在某些情况下,至少在框架上有一层活细胞。 目前研究人员正在往基质里放活细胞来创造具备功能的心肌,费恩伯格说。他们下一个目标是开发能够修复心脏缺陷的「心肌贴」。在短期内,这些人工的组织可以在实验室里帮助研究人员研究疾病过程和测试新药。而最终,这些打印的心肌可能会修复由心脏病带来的损害,帮助活着的人泵血。 同时,费恩伯格说他希望他的方法能够尽可能地被运用到各个方面。他说,「我希望其他人会采用我这个方法,利用它做些事情,而有可能这些事是我想都不敢想的。」 本文选自ScienceMSG,机器之心编译出品,编译:林国强
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