就在不久前，学术经纬团队和读者朋友们介绍了3D打印器官的一项重磅突破：科学家们造出了包含血管和气道、会“呼吸”的迷你人工肺。该研究登上了顶尖学术期刊《科学》的封面。

　　而在最新一期《科学》上，生物工程学家们再次突破生物材料的技术障碍，带来一项“激动人心”的新成果。

　　▲生物打印技术模拟肺组织和复制人类心脏结构，让复杂的“人造器官”正在变成现实（图片来源：参考资料[2]）

　　美国卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的科学家们开发出一种创新的3D生物打印技术，以胶原蛋白为材料，制造出具有更高分辨率、图案可以更复杂的人体器官组织支架。“这种史无前例的方法，使组织工程学领域向3D打印全尺寸成人心脏又迈进了一步。”研究机构的新闻介绍。

　　胶原蛋白是一种十分理想的生物材料。因为这类蛋白质本身就是人体主要的结构蛋白，是细胞外基质的主要成分。它们有足够的机械强度，为细胞和组织成分提供结构空间。Andrew Hudson博士是这项研究的共同一作，用他的话说，“人体几乎每个组织都由胶原蛋白构成”。

　　尽管如此，要用天然的胶原蛋白做3D打印的生物墨水，还有难题需要解决。“它是液态的，假如你想在空气中把它打印出来，那么你只会在制作平台上得到一滩水。”Hudson博士解释。

　　▲该研究的负责人Adam Feinberg教授（图片来源：卡耐基梅隆大学）

　　如何让胶原蛋白保持完整的组织形状，还要达到高分辨率和高保真度？为此，Adam Feinberg教授领衔的研究团队开发了一种新技术，他们将其命名为“新鲜”（FRESH），全称是“悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）技术。

　　这种3D打印技术以明胶作为支撑床，特定浓度的胶原蛋白从灵活的打印喷嘴中挤出后，可以在支撑胶中逐层沉积和凝固。等到打印完成，研究人员把温度从室温调整到体温，就可以让支撑用的明胶融化，同时让打印出来的胶原蛋白结构、嵌入胶原蛋白中的细胞保持完好。

　　利用FRESH技术，他们用细胞和胶原蛋白成功打印出不同尺寸的心脏零件：小到毛细血管，大到与新生儿心脏相当的人类心脏模型，包括血管系统、腔室之间的瓣膜等结构。而且，分辨率最高达到20微米，大大超过原有技术100~500微米的分辨率。

　　研究人员还设计了一个使用两种生物墨水打印的左心室模型，由胶原蛋白打印出内壁和外壁，中间是人类胚胎干细胞来源的心肌细胞。正如他们的预期，在打印并培养4周后，这一3D人造组织不仅保持了完整的结构，并且产生了人类心脏应有的自发搏动功能！

　　▲用胶原蛋白和细胞两种生物墨水打印出人工心室（图片来源：参考资料[1]）

　　Feinberg教授总结说：“我们的研究结果表明，我们能用细胞和胶原蛋白打印出心脏的零件，把它们做成真正具有功能的部件，比如心脏瓣膜或跳动的心室。”

　　有了这样一种技术，不仅可以用胶原蛋白打印大尺寸的人体器官，研究人员认为，像纤维蛋白、透明质酸、藻酸盐等各种软性生物材料，都可以作为生物墨水用于3D打印。“FRESH技术为组织工程提供了一个适应性强大的平台。”研究人员介绍。

　　为了让更多人可以使用这种3D打印技术，研究人员还将硬件平台的设计“开源”，免费分享。他们希望，不光是实验室的科研人员，甚至中学科技小组的学生们，也可以构建并获得低成本、高性能的3D生物打印机。

　　当然，研究者也提到，要打印符合成人尺寸的人造器官还有诸多挑战，比如大型组织需要数十亿的细胞。但是无疑，我们正在见证奇迹的实现过程。这项FRESH技术与开头提到的迷你人工肺打印技术，“正在让按需打印器官更接近现实”。

　　参考资料：

　　[1] A. Lee et al., (2019) 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science. DOI: 10.1126/science.aav9051

　　[2] Queeny Dasgupta1 and Lauren D. Black III (2019) A FRESH SLATE for 3D bioprinting. Science. DOI: 10.1126/science.aay0478

　　[3] 3D printing the human heart. Retrieved Aug. 4, 2019, from https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2019/08/01-feinberg-science-paper.html