[PConline 雜談]記得大概在去年4月份的時候，特拉維夫大學的研究員使用患者自己的細胞和生物材料成功“打印“了世界上第一顆3D血管化心臟，也是第一次有人設計並打印充滿細胞、血管以及心室的完整心臟。時隔一年，現在全球3D打印心臟又發展到何種程度了呢？

　　與其他臟器不同，心臟因其體積大、細胞種類繁多且需要自主跳動，才能具有功能。即便3D打印技術已經發展多年，在醫療領域例如顱頜面外科、骨科、口腔科等不乏3D打印假體植入案的今天，想要3D打印一顆匹配患者的細胞學、生物化學、解剖學特性的心臟，依舊非常困難。

　　3D打印心臟到底難在哪？

　　3D打印心臟，絕不只是把一堆細胞堆成心臟的樣子那麼簡單。首先，我們知道心臟整齊地跳動需要心臟的細胞間有緊密的聯繫，而地球重力的存在，直接或間接地導致這一切條件都無法實現。由於心臟不能整齊地跳動，導致3D打印出來的心臟不能泵血。

　　不僅如此，與其他3D打印普遍使用的激光或熱不同，由於生物3D打印使用的是細胞，爲了保證細胞的活性，就不能有光和熱。生物3D打印根據不同的細胞生長環境，需要設置打印的參數，精確地控制生物材料中細胞的密度、生長因子在整體3D結構中的位置及相關作用，才能使打印出的組織具有生物活性。

　　加之心臟比一般的器官更爲複雜--會跳動。心肌細胞被緊密地連在一起，細胞產生的電信號會使大批心肌細胞共同收縮，爲了協調兩個心房和兩個心室的協同收縮，心臟本身還有一套特殊的傳導系統。儘管在體外生產幾千萬個心肌細胞並不難，可即便心臟被3D打印出來，能不能跳是一回事，怎麼跳則是另外一回事。

　　就臨牀病症來說，心室纖顫就是因爲心肌細胞不能同步跳，一旦失去“同步”，各個細胞此起彼伏地亂跳就會讓心臟在瞬間失去泵血功能，導致患者死亡。因此，如果要實現心臟的泵血功能，心臟必須非常整齊地跳動。

　　打印出來的心臟能不能整齊地跳動，其實與地球重力有關。3D打印的黏附力不足以支撐心臟或腎臟這種大器官，在重力的影響下會造成細胞間的撕裂。因此，生物3D打印的核心問題在於如何解決生物材料和地球重力對3D打印細胞的影響。

　　全球3D打印心臟到達何種程度了？

　　儘管目前尚未有成功移植完整3D生物打印心臟的案例，但並不影響生物醫藥公司和科研小組向功能齊全的3D打印心臟邁進。這裏我們也爲各位整理了一些最近比較前途無量的3D打印心臟項目。

　　特拉維夫大學的微型心臟

　　特拉維夫大學，我們在開篇提到過，其分子細胞生物學與生物技術學院成功製作全球首顆有細胞，有血管，也有其他支撐結構，甚至像心臟一樣可以收縮3D打印心臟。儘管這顆心臟的長度只有2.5釐米，但卻是第一次使用人類細胞對完全血管化的3D打印人心臟，向功能性人體器官生物打印邁出關鍵一步。

　　其技術原理是，從實驗者的脂肪組織中提取人類細胞，然後將其改造成幹細胞，再將細胞分化爲心臟中各種類型的心臟細胞，這些新的“心臟”細胞與無機材料混合，製成生物墨水，最終進行3D打印。

　　由於使用的是患者自己的細胞，因此可以完全消除排斥新生物工程器官。要知道，排斥反應是器官移植中的一個主要問題，很多接受心臟移植手術的患者在手術後的第一年內就會出現排異症狀。有了此次的成功，研究團隊的下一個挑戰是使這些分化的細胞成熟並使其發揮預期功能，並希望在10年內，世界上最好的醫院將配備器官3D打印機，並且可以正常爲病人提供服務。

　　WFIRM的生物工程心臟組織

　　WFIRM的主管Anthony Atala博士在3D生物打印領域非常有名。幾年前，他的團隊進行了工程設計並將膀胱移植到了活着的患者中。截至目前，該研究所已經開發了30多種不同的組織和器官。

　　2018年4月，WFIRM團隊發表過一篇論文，描述了團隊使用大鼠心臟細胞3D生物打印功能性和收縮性心臟組織。這些細胞被懸浮在生物墨水中，並被打印成類似於人類心臟組織的結構，並且能夠測試腎上腺素和卡巴膽鹼等激素的作用，就像在生物體中一樣，這會導致打印的心臟組織中的心率發生預期的變化。

　　在今年年初的時候，WFIRM宣佈創建一個微型人體 “模型”，包含不同的生物工程人體組織，將專門用於藥物測試。微小的類器官結構大約是成年人大小的百萬分之一，並且包括微型心臟組織。Atala博士表示，微型人體實驗室模型一個最重要的功能是，在開發的早期就確定一種藥物是否對人類有毒，這對實驗藥物測試產生了巨大影響。

　　Biolife4D公司的總部位於芝加哥，其目標旨在利用生物工程和3D打印技術，製造能夠移植的人類心臟。在2018年，他們成功地展示了人類心臟組織補丁的生物印記，這意味着組織具有血流並且可以像真正的心臟一樣收縮。這些心臟組織貼片可用於恢復急性心力衰竭患者的受損心臟部分。

　　爲了生產這些補丁，他們通過MRI機器獲取患者心臟的3D數字模型後，使用患者自己的心臟細胞，結合營養物質和其他生物材料創建生物墨水。最後，組織補丁經過3D打印並在生物反應器中成熟，直到可以移植。

　　去年9月，公司還宣佈了另一個重大突破，即迷你心形3D打印機，由具有人類心臟特性的生物墨水製成，複製了人類心臟的許多特徵。Biolife4D還改進了其生物打印算法，專門針對心臟3D打印進行了優化。Biolife4D表示，有了這個新的里程碑，只需優化工藝並擴大技術範圍即可實現“成功移植的全尺寸、3D打印功能性心臟“這一最終目標。

　　ETH＆SAT的人工心臟瓣膜

　　2017年的時候，瑞士科技大學ETH Zurich的一組研究人員發表了一篇論文，描述了自己用有機硅3D打印的功能性跳動心臟，且不論大小還是功能，都與人類心臟大致相同，它們的工作證明了我們正在迅速地實現無需移植就可以替代心臟的能力。

　　這種硅膠打印體具有左右心室以及通過壓縮空氣驅動泵送動作的腔室，主要限制是3D打印的心臟只能持續大約30分鐘或3000拍，然後材料會降解和減弱。到了2019年，研究小組與南非公司Strait Access Technologies合作開發了人造3D打印心臟瓣膜，能夠替代真實患者中的滲漏或損壞的瓣膜。這些部件以與身體兼容的材料進行3D打印，並提供與常規更換閥相同的血流功能。

　　對於已經有用於移植的人造心臟瓣膜成功案例，ETH＆SAT開發的人造心臟瓣膜的可以針對每個患者量身定製。得益於MRI和CT成像，每個閥門都可以專門設計以實現完美的配合。

　　實際上，每年都有大批的患者在等待心臟移植的過程中，不幸去世。即便成功移植，也會在術後的幾年內，出現排異反應，引發術後綜合徵，而這些都是我們研究3D打印心臟的意義所在，拯救更多的患者，同時攻克器官移植排異難題。