記得大概在去年4月份的時候，特拉維夫大學的研究員使用患者自己的細胞和生物材料成功“打印“了世界上第一顆3D血管化心髒，也是第一次有人設計並打印充滿細胞、血管以及心室的完整心髒。時隔一年，現在全球3D打印心髒又發展到何種程度了呢？

與(yu) 其他髒器不同，心髒因其體(ti) 積大、細胞種類繁多且需要自主跳動，才能具有功能。即便3D打印技術已經發展多年，在醫療領域例如顱頜麵外科、骨科、口腔科等不乏3D打印假體(ti) 植入案的今天，想要3D打印一顆匹配患者的細胞學、生物化學、解剖學特性的心髒，依舊非常困難。

3D打印心髒到底難在哪？

3D打印心髒，絕不隻是把一堆細胞堆成心髒的樣子那麽(me) 簡單。首先，我們(men) 知道心髒整齊地跳動需要心髒的細胞間有緊密的聯係，而地球重力的存在，直接或間接地導致這一切條件都無法實現。由於(yu) 心髒不能整齊地跳動，導致3D打印出來的心髒不能泵血。

不僅(jin) 如此，與(yu) 其他3D打印普遍使用的激光或熱不同，由於(yu) 生物3D打印使用的是細胞，為(wei) 了保證細胞的活性，就不能有光和熱。生物3D打印根據不同的細胞生長環境，需要設置打印的參數，精確地控製生物材料中細胞的密度、生長因子在整體(ti) 3D結構中的位置及相關(guan) 作用，才能使打印出的組織具有生物活性。

加之心髒比一般的器官更為(wei) 複雜--會(hui) 跳動。心肌細胞被緊密地連在一起，細胞產(chan) 生的電信號會(hui) 使大批心肌細胞共同收縮，為(wei) 了協調兩(liang) 個(ge) 心房和兩(liang) 個(ge) 心室的協同收縮，心髒本身還有一套特殊的傳(chuan) 導係統。盡管在體(ti) 外生產(chan) 幾千萬(wan) 個(ge) 心肌細胞並不難，可即便心髒被3D打印出來，能不能跳是一回事，怎麽(me) 跳則是另外一回事。

就臨(lin) 床病症來說，心室纖顫就是因為(wei) 心肌細胞不能同步跳，一旦失去“同步”，各個(ge) 細胞此起彼伏地亂(luan) 跳就會(hui) 讓心髒在瞬間失去泵血功能，導致患者死亡。因此，如果要實現心髒的泵血功能，心髒必須非常整齊地跳動。

打印出來的心髒能不能整齊地跳動，其實與(yu) 地球重力有關(guan) 。3D打印的黏附力不足以支撐心髒或腎髒這種大器官，在重力的影響下會(hui) 造成細胞間的撕裂。因此，生物3D打印的核心問題在於(yu) 如何解決(jue) 生物材料和地球重力對3D打印細胞的影響。

全球3D打印心髒到達何種程度了？

盡管目前尚未有成功移植完整3D生物打印心髒的案例，但並不影響生物醫藥公司和科研小組向功能齊全的3D打印心髒邁進。這裏我們(men) 也為(wei) 各位整理了一些最近比較前途無量的3D打印心髒項目。

特拉維夫大學的微型心髒

特拉維夫大學，我們(men) 在開篇提到過，其分子細胞生物學與(yu) 生物技術學院成功製作全球首顆有細胞，有血管，也有其他支撐結構，甚至像心髒一樣可以收縮3D打印心髒。盡管這顆心髒的長度隻有2.5厘米，但卻是第一次使用人類細胞對完全血管化的3D打印人心髒，向功能性人體(ti) 器官生物打印邁出關(guan) 鍵一步。

其技術原理是，從(cong) 實驗者的脂肪組織中提取人類細胞，然後將其改造成幹細胞，再將細胞分化為(wei) 心髒中各種類型的心髒細胞，這些新的“心髒”細胞與(yu) 無機材料混合，製成生物墨水，最終進行3D打印。

由於(yu) 使用的是患者自己的細胞，因此可以完全消除排斥新生物工程器官。要知道，排斥反應是器官移植中的一個(ge) 主要問題，很多接受心髒移植手術的患者在手術後的第一年內(nei) 就會(hui) 出現排異症狀。有了此次的成功，研究團隊的下一個(ge) 挑戰是使這些分化的細胞成熟並使其發揮預期功能，並希望在10年內(nei) ，世界上最好的醫院將配備器官3D打印機，並且可以正常為(wei) 病人提供服務。

WFIRM的生物工程心髒組織

WFIRM的主管Anthony Atala博士在3D生物打印領域非常有名。幾年前，他的團隊進行了工程設計並將膀胱移植到了活著的患者中。截至目前，該研究所已經開發了30多種不同的組織和器官。

2018年4月，WFIRM團隊發表過一篇論文，描述了團隊使用大鼠心髒細胞3D生物打印功能性和收縮性心髒組織。這些細胞被懸浮在生物墨水中，並被打印成類似於(yu) 人類心髒組織的結構，並且能夠測試腎上腺素和卡巴膽堿等激素的作用，就像在生物體(ti) 中一樣，這會(hui) 導致打印的心髒組織中的心率發生預期的變化。

在今年年初的時候，WFIRM宣布創建一個(ge) 微型人體(ti) “模型”，包含不同的生物工程人體(ti) 組織，將專(zhuan) 門用於(yu) 藥物測試。微小的類器官結構大約是成年人大小的百萬(wan) 分之一，並且包括微型心髒組織。Atala博士表示，微型人體(ti) 實驗室模型一個(ge) 最重要的功能是，在開發的早期就確定一種藥物是否對人類有毒，這對實驗藥物測試產(chan) 生了巨大影響。

Biolife4D微型心髒

Biolife4D公司的總部位於(yu) 芝加哥，其目標旨在利用生物工程和3D打印技術，製造能夠移植的人類心髒。在2018年，他們(men) 成功地展示了人類心髒組織補丁的生物印記，這意味著組織具有血流並且可以像真正的心髒一樣收縮。這些心髒組織貼片可用於(yu) 恢複急性心力衰竭患者的受損心髒部分。

為(wei) 了生產(chan) 這些補丁，他們(men) 通過MRI機器獲取患者心髒的3D數字模型後，使用患者自己的心髒細胞，結合營養(yang) 物質和其他生物材料創建生物墨水。最後，組織補丁經過3D打印並在生物反應器中成熟，直到可以移植。

去年9月，公司還宣布了另一個(ge) 重大突破，即迷你心形3D打印機，由具有人類心髒特性的生物墨水製成，複製了人類心髒的許多特征。Biolife4D還改進了其生物打印算法，專(zhuan) 門針對心髒3D打印進行了優(you) 化。Biolife4D表示，有了這個(ge) 新的裏程碑，隻需優(you) 化工藝並擴大技術範圍即可實現“成功移植的全尺寸、3D打印功能性心髒“這一最終目標。

ETH＆SAT的人工心髒瓣膜

2017年的時候，瑞士科技大學ETH Zurich的一組研究人員發表了一篇論文，描述了自己用有機矽3D打印的功能性跳動心髒，且不論大小還是功能，都與(yu) 人類心髒大致相同，它們(men) 的工作證明了我們(men) 正在迅速地實現無需移植就可以替代心髒的能力。

這種矽膠打印體(ti) 具有左右心室以及通過壓縮空氣驅動泵送動作的腔室，主要限製是3D打印的心髒隻能持續大約30分鍾或3000拍，然後材料會(hui) 降解和減弱。到了2019年，研究小組與(yu) 南非公司Strait Access Technologies合作開發了人造3D打印心髒瓣膜，能夠替代真實患者中的滲漏或損壞的瓣膜。這些部件以與(yu) 身體(ti) 兼容的材料進行3D打印，並提供與(yu) 常規更換閥相同的血流功能。

對於(yu) 已經有用於(yu) 移植的人造心髒瓣膜成功案例，ETH＆SAT開發的人造心髒瓣膜的可以針對每個(ge) 患者量身定製。得益於(yu) MRI和CT成像，每個(ge) 閥門都可以專(zhuan) 門設計以實現完美的配合。

實際上，每年都有大批的患者在等待心髒移植的過程中，不幸去世。即便成功移植，也會(hui) 在術後的幾年內(nei) ，出現排異反應，引發術後綜合征，而這些都是我們(men) 研究3D打印心髒的意義(yi) 所在，拯救更多的患者，同時攻克器官移植排異難題。