首次！生物3D打印的人类心脏实现泵血功能！

2019年4月，以色列特拉维夫大学研究人员宣布，他们用人类的脂肪组织，通过3D打印技术制作出了一颗“人造心脏”，虽然只是一个微缩版的原型，却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的完整心脏”。当时这颗心脏可以收缩 ，但无法像正常心脏一般搏动泵血。

3D 打印的微型心脏

而近日，来自明尼苏达大学的研究人员在相同研究方面取得了重大进展，该团队开发了一种新型生物墨水，并使用3D打印技术创建出了具有腔室、心室和血管结构的心脏。在体外培养了60天之后，该结构具备泵血功能。相关成果以封面文章的形式发表于Circulation Research。本期，我们介绍该研究的主要内容。

虽然越来越多的研究已经证明能够使用生物材料3D打印整个心脏，但这些打印出来的构造要么缺乏必要的生物细胞，要么缺乏机电功能，因而无法实现真实的心脏机电反馈（心肌机械变化引发的电生理变化）。这是因为成熟的心肌细胞一般不易增殖或迁移，其在体外的构建过程存在巨大挑战，研究人员难以获得所需的高细胞密度。

明尼苏达大学的研究小组希望使用具有高度增殖能力的干细胞，在原位诱导心肌细胞分化，从而为心脏功能定制组织。

3D打印心脏原理示意图

为了实现这一目标，该团队需要开发一种生物墨水，其配方将能够提高细胞活力，促进多能干细胞增殖并分化为心肌细胞。最终，研究人员通过优化配方实现了对心肌细胞的分化，并创造了一种新型的生物墨水，不仅可以在空间上准确沉积，而且在打印过程中不需要任何支撑结构，该墨水最终将降解以提供细胞增殖的空间。

研究团队首先打印了带有两个腔室以及一个血管入口和出口的干细胞负载主动脉结构，在细胞繁殖到足够的密度后，研究小组开始对细胞进行分化，赋予它们在心脏中不同的作用。为了保证细胞存活，营养物质并不可少，研究发现该打印结构具备弹性和功能性。

3D打印心脏的构建过程，下图显示了打印的准确性

为了测试创建的准确性，研究团队使用磁共振成像扫描对打印的主动脉结构与3D数据进行了比较。发现有86％的打印结构控制在0.5mm的误差范围内，横截面对比发现内部腔室具有很高的保真度。14天后，90%的生物墨水被单个和大型菌落细胞填充，到6周后，观察到非常有限的细胞死亡，这表明3D打印的主动脉结构具有比较稳定的状况。

生物打印后24天内细胞增殖的演变过程

3D打印心脏结构的目的是希望它能够泵血或“跳动”。为了确定整个血管中机电功能的保存程度，研究人员对其进行了检测，在心脏表面检测到的动作电位反映了研究人员对改变起搏频率和药物刺激的预期反应。

3D打印的人类心脏具备泵血功能

最终，明尼苏达大学的研究小组得出结论，他们采用3D打印制造的人工心脏具有强健的机电反馈功能，而且其腔室、心室和细胞壁厚度比先前打印的都要高，这使得心脏的泵血功能更为强大。

采用相同方法构建的宏观人类心脏为未来在多个尺度用于药物测试提供了可能，同时它将极大推动临床心脏病学的发展，使研究更接近于临床移植，同时，这一进展也代表了在构建大尺度组织方面迈出的关键一步。

组织工程学的目标之一是能够在体外创建组织或器官来维持人体的正常生理机能，3D打印为这项工程提供了一种方法。近年来，生物3D打印已用于创建一系列人体组织或器官，通常用于测试和研究，而非直接移植。去年以色列特拉维夫大学3D打印的整枚心脏，为探索创建高逼真度和针对特定患者的组织进行3D打印的可能性开创了研究先河。而本文的研究，则为组织器官功能性的实现提出了一种方法。