最新创新性研究：3D打印厘米级心脏泵（可跳动的心脏）

心脏病每年导致约60万人死亡。近年来，生物打印技术取得了巨大的发展，世界各地的研究团队正在研究如何使用这种技术来治愈心脏病。最终目标是复制可以移植到患者体内的人类心脏。即使专家估计我们需要等待10到15年才能实现这一目标，但明尼苏达大学(University of Minnesota)实现了这一突破，3D打印了功能正常的厘米级人体心脏泵（可跳动的心脏）。

说明生成人类心脏泵的步骤示意图

   研究发表   

在2020年4月份，明尼苏达大学生物医学工程系主任首席研究员布伦达·奥格尔（Brenda Ogle）作为通讯作者，莫莉·库珀（Molly E. Kupfer）作为第一作者在《循环研究》杂志上发表《In Situ Expansion, Differentiation and Electromechanical Coupling of Human Cardiac Muscle in a 3D Bioprinted, Chambered Organoid》、的文章，文章显示明尼苏达大学的研究人员在实验室中3D打印了功能正常的厘米级人体心脏泵，同时文章中得如下结论：

• 3D打印是第一个在几何复杂且可灌注的腔室结构中实现宏观跳动功能的手段。

• 3D打印心脏是通过优化的生物墨水得以实现的，这种墨水可以在分化之前使广泛的干细胞增殖，从而产生厚度达500μm的连续肌肉壁。

• 文章表明的活心脏泵和未来的设计迭代将可用于多尺度体外心脏病学测定，损伤和疾病建模，医疗设备测试以及再生医学研究，这些研究应更容易转移到临床相关的结果上。

  
  

跳动的3D打印心脏泵的形成

图. a）用于人心脏泵（hChaMP）的设计模板的横截面图。该模板源自对人体心脏的MRI扫描，该扫描的规模缩小了10倍（最长轴为1.3厘米，类似于鼠心的大小），并经过修改以容纳通过腔室的单向流动回路。设计心模板，目的是创建具有连续肌肉和相关泵功能的几何复杂的心脏组织。b）小组指定了独特的类器官样方法来生成hChaMP，其中将人诱导的多能细胞（hiPSC）沉积在优化的基于ECM的生物墨水中，从而使hiPSC扩展以获得组织样密度并随后分化为心肌细胞。随着时间的流逝，hChaMP可能会同步跳动，建立压力并使流体类似于活动泵。

  研究过程的历程  

大学生物医学工程系主任首席研究员布伦达·奥格尔（Brenda Ogle）在曾表示，起初，他们尝试了3D打印心肌细胞，但他们也失败了。但，凭借我们在干细胞研究和3D打印方面的专业知识，他们决定尝试一种新方法。他们优化了由细胞外基质蛋白制成的专用墨水，将墨水与人类干细胞结合在一起，并使用墨水加细胞进行3D打印腔室结构。干细胞首先在结构中扩增为高细胞密度，然后他们将它们分化为心肌细胞。实验发现，该方法可以在不到一个月的时间内实现高细胞密度的目标，从而使细胞像人的心脏一样跳动。

其实这个想法是经过多年的研究后，在准备放弃的时候，两个学生Molly Kupfer和Lin Wei-Han Lin建议可以先尝试打印干细胞。于是他们决定最后尝试一下。而就是因为这一次尝试，他们成功了。当他们的团队在实验室里看着盘子，看到整个东西自发地，同步地收缩并且能够移动流体时，他们简直不敢相信。