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3D打印技術(shù)助力微型心臟，加速心臟病的治愈速度

2022-04-26

根據(jù)美國疾病控制和預(yù)防中心的數(shù)據(jù)，每36秒就有一人因各類型的心臟病而去世。心臟病成為現(xiàn)代人高發(fā)性疾病。為此，科學(xué)家們嘗試了不同的方法來解決這個(gè)問題。他們將實(shí)驗(yàn)心臟連接到機(jī)器上以使其再次跳動(dòng)，又或者將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的心臟組織連接到彈簧上以觀察它們的膨脹和收縮。但每一種方法都有缺陷，復(fù)活的心臟只能跳動(dòng)幾個(gè)小時(shí)，而彈簧無法模仿真實(shí)的肌肉力量。現(xiàn)在，人們是否發(fā)現(xiàn)了新的解決方案呢？

2022年4月25日，南極熊獲悉，波士頓大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，它們宣稱開發(fā)了一種微型活體心室（綽號(hào)“迷你泵”），它可能有助于更準(zhǔn)確地模仿真實(shí)的心臟器官。該技術(shù)正式名稱為心臟微型化精密單向微流體泵。同時(shí)，未來還可以為正在研究其他器官的科研人員提供技術(shù)支持。

△由干細(xì)胞的工程部件和組織制成的心臟腔室的微型復(fù)制品。圖片來自波士頓大學(xué)

開發(fā)“迷你泵”

它只有3平方厘米，比郵票大不了多少。其功能類似于人類心室，即肌肉下腔，它的定制組件安裝在一塊薄薄的3D打印塑料上。

微型心臟復(fù)制品由納米工程部件和人體心臟組織組合而成。沒有彈簧或外部電源，它就像真正的心臟一樣，它只是在干細(xì)胞生長(zhǎng)的活心臟組織的驅(qū)動(dòng)下自行跳動(dòng)。

△微型化超材料支架支持收縮的心腔。圖片來自波士頓大學(xué)

對(duì)于上圖的注釋：( A )完整的“迷你泵”示意圖，具有心腔、心臟瓣膜和對(duì)抗壓力梯度的單向流動(dòng)。( B )由中空TPDLW衍生支架支撐的心臟組織腔示意圖。（C和D）基于虛線矩形表示的拉脹倒六邊形晶胞（D的腔室支架（C）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。( E和F )倒六角支架 (E)上的心腔在24小時(shí)內(nèi)調(diào)節(jié)支架 (F)的塌陷。(E)開始，允許支架自由變形。( G和H) 完整螺旋支架 (H) 內(nèi)的螺旋晶胞 (G) 的SEM 圖像。(G)中的箭頭表示螺旋的厚度。( I到K ) SEM 圖像 (I和J)和螺旋支架機(jī)械壓縮的力位移 (K)曲線。每種顏色表示測(cè)試的每個(gè)螺旋厚度的n = 3個(gè)支架之一。粗螺旋的螺旋厚度為 10.1 ± 0.3 μm，細(xì)螺旋的厚度為 8.3 ± 0.2 μm。( L ) 螺旋支架上的心腔。(L)開始，允許支架自由變形。

3D打印組織支架

仿生組織模型正迅速向精細(xì)的下一代體外培養(yǎng)模型發(fā)展，以研究發(fā)育、成年、再生和疾病過程中的器官水平功能。

為了打印每個(gè)微小的組件，該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為雙光子直接激光寫入的工藝，一種更精確的3D打印技術(shù)。當(dāng)光線射入液態(tài)樹脂時(shí)，它接觸的區(qū)域會(huì)變成固態(tài)；因?yàn)楣饩€可以更加精確地瞄準(zhǔn)——聚焦到一個(gè)微小的點(diǎn)。“迷你泵”中的許多組件都以微米為單位進(jìn)行測(cè)量，比灰塵顆粒還小。

它們表示，通過“迷你泵”的結(jié)構(gòu)表明“使用更精細(xì)的3D打印架構(gòu)，能夠創(chuàng)建更復(fù)雜的細(xì)胞組織。” 目前，當(dāng)研究人員試圖制造細(xì)胞時(shí)，無論是心臟細(xì)胞還是肝細(xì)胞，它們的結(jié)構(gòu)都是雜亂無章的，傳統(tǒng)的方式難以構(gòu)建它們。但是，“迷你泵”采用首創(chuàng)的3D打印組織支架，對(duì)未來的生物學(xué)具有深遠(yuǎn)影響，無論是從腎臟到肺的其他芯片器官，都奠定了一定的基礎(chǔ)。

△3D打印支撐心臟組織的支架（許多部件以微米為單位，在如此精細(xì)的尺度下，通常堅(jiān)硬的材料變得靈活）。圖片來自波士頓大學(xué)

跳過障礙

研究人員表示，該技術(shù)最終可以加快藥物開發(fā)過程，使其更快、更便宜。研究人員可以使用“迷你泵”進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，而不是花費(fèi)數(shù)百萬，甚至可能是數(shù)十年的時(shí)間，必須經(jīng)過漫長(zhǎng)，且大量的實(shí)驗(yàn)論證才能用于人體臨床實(shí)驗(yàn)。

△《使用高精度制造在芯片上設(shè)計(jì)一個(gè)活體心臟泵》文獻(xiàn)傳送門

該技術(shù)可以讓研究人員更準(zhǔn)確地了解器官的工作原理，讓他們能夠追蹤心臟在胚胎中的生長(zhǎng)情況，可以讓科研人員，深入的研究此類疾病的誘因，并測(cè)試新的有效療法和相關(guān)的潛在副作用。所有這些僅在實(shí)驗(yàn)室即可完成，無需進(jìn)行活體生物實(shí)驗(yàn)。

“我們可以以前所未有的方式研究疾病的進(jìn)展，”波士頓大學(xué)工程學(xué)院教授Alice Whit說。“我們選擇研究心臟組織是因?yàn)樗牧W(xué)特別復(fù)雜，但當(dāng)你采用納米技術(shù)并將其與組織工程結(jié)合時(shí)，就有可能實(shí)現(xiàn)。”

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