Science:打印一颗心！人造器官再现关键人物，科学家打印出会跳动的心

就在不久前，学术上所团队和受众朋友们介绍了3D手写器官的一项重磅冲破：物理家们造成了涵盖肾脏和肺脏、会“呼吸”的迷你人工肺。该物理研究夺下了顶尖学术期刊《物理》的封套。而在当前一期《物理》上，生物学系统工程建设家们再次冲破生物学降解的系统设计障碍，带来一项“激动人心”的新实质性。生物学手写系统设计模拟肺有组织和克隆生命体脑干形态，让复杂的“人造器官”准备变成现实。加拿大卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的物理家们开发新成一种创新的3D生物学手写系统设计，以肠胃为材料，制造成很强非常极低精度、图案可以非常复杂的经常性有组织栓。“这种史无前例的方法，使有组织系统工程建设教育领域向3D手写全大小脑干又迈进了一步。”物理研究机构的新闻网介绍。肠胃是一种十分理想的生物学降解。因为这类蛋白质本身就是人体主要的形态蛋白，是细胞核外基质的主要混合物。它们有足够的机械强度，为细胞核和有组织混合物提供形态空间。Andrew Hudson指导副教授是这项物理研究的联合一作，用他的话知道，“人体几乎每个有组织都由肠胃连在一起”。尽管如此，要用天然的肠胃认真3D手写的生物学油墨，还有根本原因需解决。“它是液态的，假如你想在空气中会把它手写成来，那么你只会在制作平台上给予一滩水。”Hudson指导副教授解释。如何让肠胃保持完整的有组织形状，还要大幅提极低极低精度和极低保真度？为此，Adam Feinberg副教授领衔的物理研究团队开发新了一种新系统设计，他们将其命名为“新鲜”（FRESH），亦称是“悬浮水凝胶的自由可逆式填充”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）系统设计。这种3D手写系统设计以明胶作为坚实床，特定浓度的肠胃从敏捷的手写推进剂中会挤成后，可以在坚实胶中会逐层溶解和变质。等到手写进行时，物理研究职员把温度从室温调整到体温，就可以让坚实用的明胶升华，同时让手写成来的肠胃形态、填充肠胃中会的细胞核保持原貌。利用FRESH系统设计，他们用细胞核和肠胃成功手写成不同大小的脑干装配：小到毛细肾脏，大到与新生儿脑干相当的生命体脑干基本概念，包括肾脏系统、腔室之间的循环系统等形态。而且，精度最极低大幅提极低20微米，大大最少原有系统设计100~500微米的精度。物理研究职员用肠胃手写成来的人工脑干循环系统，循环系统可以打开和关闭。物理研究职员还设计了一个用于两种生物学油墨手写的膀胱基本概念，由肠胃手写成内壁和外壁，中会间是生命体胚胎干细胞核来源的脑组织核。正如他们的预想，在手写并人才培养4周后，这一3D人造有组织不仅保持了完整的形态，并且产生了生命体脑干应有的参与者搏动功能！用肠胃和细胞核两种生物学油墨手写成人工膀胱，参与者搏动的人工膀胱。Feinberg副教授总结知道：“我们的物理研究得出，我们能用细胞核和肠胃手写成脑干的装配，把它们认真成只不过很强功能的构件，比如脑干循环系统或跳动的膀胱。”借助计算机断层扫描独有数据，物理研究职员用肠胃手写成的人工脑干精确地克隆了很强患儿有机体特点的解剖形态。有了这样一种系统设计，不仅可以用肠胃手写大大小的经常性，物理研究职员认为，像肝细胞、透明质酸、藻酸盐等各种软性生物学降解，都可以作为生物学油墨用于3D手写。“FRESH系统设计为有组织工程建设提供了一个适应性强大的平台。”物理研究职员介绍。为了让非常多人可以用于这种3D手写系统设计，物理研究职员还将商业软件的设计“自由软件”，免费分享。他们希望，不光是实验室的科研职员，甚至中会学科技调查小组的学校们，也可以构建并获得低成本、极低性能的3D生物学芯片。当然，物理历史学者也讲到，要手写符合大小的人造器官还有诸多考验，比如大型有组织需数十亿的细胞核。但是显然，我们准备彻底改变救世主的实现过程。这项FRESH系统设计与末尾讲到的迷你人工肺手写系统设计，“准备让按需手写器官非常接近现实”。独有成处：A. Lee1，*， A. R. Hudson1，*， D. J. Shiwarski1， et al.， (2019) 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science. DOI： 10.1126/science.a9051