卡耐基梅隆大學的一組研究人員在《科學》雜誌上發表了一篇論文，詳細介紹了一種新技術，任何人都可以用膠原蛋白(人體(ti) 的主要結構蛋白)對組織支架進行3D生物打印。這是一種史無前例的方法，它標誌著組織工程領域向3D打印完整的成人心髒又邁進了一步。

這項技術被稱為(wei) 懸浮水凝膠自由形式可逆嵌入(FRESH)，它使研究人員克服了與(yu) 現有3D生物打印方法相關(guan) 的許多挑戰，並利用軟質和生物材料實現了前所未有的分辨率和保真度。

人體(ti) 的每一個(ge) 器官，比如心髒，都是由特殊細胞通過一種叫做細胞外基質(ECM)的生物支架連接在一起構成的。這種ECM蛋白網絡提供細胞正常功能所需的結構和生化信號。然而，到目前為(wei) 止，使用傳(chuan) 統的生物製造方法還不可能重建這個(ge) 複雜的ECM架構。

“我們(men) 已經證明我們(men) 可以打印心髒的細胞和膠原蛋白部分,具有真正的功能,如心髒瓣膜或一個(ge) 小心室跳動。”卡內(nei) 基梅隆大學材料科學生物醫學工程教授(BME)亞(ya) 當•範伯格說，“通過使用人類心髒的MRI數據，我們(men) 能夠準確地重現患者特定的解剖結構、3D生物膠原蛋白和人類心髒細胞。”

美國有4000多名患者正在等待心髒移植，而世界上還有數百萬(wan) 人需要心髒，但卻沒有進入等待名單。對替代器官的需求是巨大的，需要新的方法來設計能夠修複、補充或替代長期器官功能的人造器官。範伯格是卡內(nei) 基梅隆大學生物工程器官計劃的成員之一，他正在努力用新一代生物工程器官來解決(jue) 這些挑戰。

“膠原蛋白是一種非常理想的3D打印生物材料，因為(wei) 它幾乎構成了你身體(ti) 的每一個(ge) 組織。”安德魯·哈德森解釋說，他是範伯格實驗室的BME博士生，也是這篇論文的第一作者之一。“然而，3D打印之所以如此困難，是因為(wei) 它一開始是液態的——所以如果你想在空中打印它，它隻會(hui) 在你的構建平台上形成一個(ge) 水坑。所以我們(men) 開發了一種技術來防止它變形。”

研究人員開發了FRESH技術來防止其變形。FRESH可以讓膠原蛋白在凝膠支撐槽中逐層疊加，然後通過從(cong) 室溫到體(ti) 溫的加熱，把支撐槽融化，從(cong) 而得到一個(ge) 完好的結構。這些結構的精細度可達20微米，可嵌入活體(ti) 細胞和毛細血管。借助這一方法，可設計打印從(cong) 毛細血管到整個(ge) 器官的各種尺度的人類心髒組件。

不僅(jin) 限於(yu) 膠原蛋白，纖維蛋白、藻酸鹽、透明質酸等多種軟性凝膠均可采用FRESH技術進行3D生物打印，為(wei) 組織工程提供了一個(ge) 強大、適應性強的平台。重要的是，研究人員還開發了開源設計，這樣幾乎任何人，從(cong) 醫學實驗室到高中科學班，都可以構建並獲得低成本、高性能的3D生物打印機。

當然，實現這一目標還麵臨(lin) 諸多挑戰，包括：生成生物打印大型組織所需的數十億(yi) 個(ge) 細胞;遵守監管程序，以便在動物以及最終在人身上進行試驗。