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3D打印一颗心脏,到底有多难?

2019-06-12  来自: 厦门太星3D打印服务有限公司 浏览次数:20

第一颗有血管的3D心脏


4月15日,以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)宣布该学校实验室3D打印出了一颗“心脏”,实验结果刊登于综合科技期刊《先进科学》(Advanced Science)。


这颗心脏不仅仅只是外形。它有细胞,有血管,也有其他支撑结构。它甚至像心脏一样可以收缩——但它的长度只有2.5厘米,差不多是一个兔子心脏的大小。特拉维夫大学实验团队负责人之一阿萨夫·沙皮尔(Assaf Shapira)教授告诉本刊:“与过去相比,这项3D打印心脏的研究成果的突破点在于,这不仅仅是一个外观打印的心脏,这是世界上第一个利用患者自己的细胞和生物材料3D打印出的三维血管化的工程心脏(3D vascularised engineered heart),也就是具有血管组织的三维人造心脏。”而在此之前,科学家只成功打印出没有血管的简单组织。


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阿萨夫·沙皮尔补充道:“我们打印心脏的原料是从病人身上提取而来。提取脂肪组织的切片,对其进行编辑使之成为干细胞,再将其转化为心肌细胞和内皮细胞。另外,提取非细胞组织,转变为一种‘个人特有的凝胶’来充当打印‘墨水’,这些由糖和蛋白质构成的材料能够用于3D打印复杂的组织模型,随后利用组织工程学的原理,在支架中填充细胞,以此让细胞得以更好地再生。”他说,该实验中使用的“打印原料”和“黏合胶水”来源于患者自体的细胞,对于成功构建组织和器官至关重要,这意味着因此打印出的心脏移植进本人身体后不会产生排异反应。


事实上,心脏移植曾被誉为21世纪医学之巅,目前全球每年有上千人通过传统的方式完成心脏移植手术,即由脑死亡患者提供还在跳动的心脏,医院将心脏置放于特殊材料中,与民用航空公司合作运输心脏——脑死亡供体缺血时间的极限为6小时——接受供体的医院需要在这时效内获取心脏,并开展心脏移植手术。而目前心脏移植术后的死亡率居高不下,主要与排异反应有关。1978年,张世泽等医生在上海瑞金医院完成了中国内地首例心脏移植手术,但病人术后仅存活了109天。即使到现在,心脏移植手术后的5年生存率也仅刚过50%。


如此看来,若特拉维夫大学的技术手段能在未来的人体试验阶段证明有效,并一定程度上解决传统的心脏移植手术后的排异问题,那确实将会是一个很大的突破。


被问及为何选择3D打印心脏而不是肾脏或其他器官组织,阿萨夫回应:“在难度上,我没有能力去辨别到底哪个更容易。但目前传统的心脏移植方式是晚期心力衰竭患者唯一可用的治疗方法。心脏捐赠者的严重短缺,对我们来说,就得努力开发新的方法。”


心脏,因其体积大、细胞种类繁多且需要跳动,即全体心肌细胞需要几乎同时收缩,才能具有功能。即便在3D打印技术发展多年之后,在医疗领域颅颌面外科、骨科、口腔科的3D打印假体植入的案例也屡见不鲜的今天,尽管科学家们也早已掌握了人工培养简单的人体组织的技术,但要3D打印一颗匹配患者的细胞学、生物化学、解剖学特性的心脏,依然很困难。


阿萨夫对于此次实验的一些遗憾也并不讳言,“受限于我们3D打印机精度的问题,目前还不能打印出心脏上的所有血管,而且该心脏也不具有泵血功能”。而3D打印出的这颗“心脏”距离应用于动物实验,也长路漫漫。


那么,3D打印一个心脏到底难在哪里?追根溯源可以归结到地球的重力问题——打印出来的心脏不能泵血是由于心脏没能整齐地跳动;心脏整齐地跳动需要心脏的细胞间有紧密的联系等等。而地球重力的存在,直接或间接地导致前述这一切条件都无法实现。



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