2021年1月，歐盟委員會(huì)批準(zhǔn)了法國(guó)公司Carmat制造的人工心臟投入商用。據(jù)該公司介紹，該產(chǎn)品使用與人體相容的生物材料制成，在電池供電下可完成人體心臟功能，有望緩解心臟捐贈(zèng)者不足的問(wèn)題，為需要移植心臟的患者帶來(lái)福音。該人工心臟暫定售價(jià)15萬(wàn)歐元（合約118萬(wàn)人民幣），根據(jù)市場(chǎng)需求每月生產(chǎn)量可達(dá)到10顆。
人工心臟被譽(yù)為“醫(yī)療器械皇冠上的寶石”，主要功能是利用生物機(jī)械手段部分或全部替代心臟泵血功能，維持患者的血液循環(huán)。對(duì)于重癥心力衰竭患者來(lái)說(shuō)，人工心臟是代替心臟移植的有效治療手段。
然而，用于泵送血液的人工心臟裝置仍存在缺點(diǎn)，這些裝置仍有很大的改進(jìn)空間?？紤]到這一點(diǎn)，科學(xué)家們一直在著力研究采用新技術(shù)制造更加安全的心臟，3D打印便是近些年來(lái)被關(guān)注的焦點(diǎn)，且已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。
2017年，3D打印的硅膠心臟實(shí)現(xiàn)跳動(dòng)
2017年，蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的功能材料實(shí)驗(yàn)室研究人員使用3D打印創(chuàng)建了一枚幾乎像真實(shí)心臟一樣跳動(dòng)的柔性硅膠心臟，能夠以更安全、更舒適的方式來(lái)保持血液泵送。
這種人工心臟與真正的心臟大致相同，重390克，擁有左心室和右心室，并由一個(gè)充當(dāng)器官肌肉的腔室分開(kāi)。當(dāng)腔室被加壓空氣充氣和放氣時(shí)，泵將液體從腔室中泵出。
3D打印跳動(dòng)人工心臟
在測(cè)試設(shè)備時(shí)，研究人員使用了與人體血液相似粘度的液體，發(fā)現(xiàn)從根本上說(shuō)，它以與人類心臟相似的方式起作用。然而，有一個(gè)非常嚴(yán)重的限制，因?yàn)樵摬牧现荒艹惺艽蠹s3000次的打擊——相當(dāng)于使用大約30到45分鐘。雖如此，該研究仍然證明了人造心臟的可行未來(lái)路徑。
2019年，3D打印的微縮版心臟實(shí)現(xiàn)血管化
2019年，以色列特拉維夫大學(xué)研究人員宣布，他們用人類的脂肪組織，通過(guò)3D打印技術(shù)制作出了一顆“人造心臟”，雖然只是一個(gè)微縮版的原型，卻是人類“首次成功設(shè)計(jì)并打印出一個(gè)具有細(xì)胞、血管、心室和心房的完整心臟”。
3D打印血管化心臟
研究過(guò)程中，研究人員對(duì)病人的脂肪組織進(jìn)行了活組織檢查。再將脂肪組織中的細(xì)胞和非細(xì)胞物質(zhì)分離。在細(xì)胞被重編程為多能干細(xì)胞，并被有效分化為心臟細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的同時(shí)，細(xì)胞外基質(zhì)——一種由細(xì)胞外大分子組成的三維網(wǎng)絡(luò)，如膠原蛋白和糖蛋白，被加工為一種水凝膠，作為打印的“墨水“。科學(xué)家借此打印出了血管化的心臟結(jié)構(gòu)，這在人工心臟的研究和制備史上屬于首次。雖然這顆心臟長(zhǎng)度只有2.5厘米，和兔子的心臟大小相仿，但這顆心臟可以收縮，研究人員此后的努力方向則是使其實(shí)現(xiàn)泵血功能。
這顆心臟長(zhǎng)度只有2.5厘米
這個(gè)結(jié)果給了研究人員極大的信心，證明了3D打印方法未來(lái)在工程化、個(gè)性化組織器官移植方面潛力巨大。
2020年，3D打印的真實(shí)心臟實(shí)現(xiàn)泵血功能
在經(jīng)歷了3D打印的人工心臟缺乏必要生物細(xì)胞、缺乏機(jī)電功能，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的心臟機(jī)電反饋（心肌機(jī)械變化引發(fā)的電生理變化）后，2020年3D打印心臟研究獲得突破性進(jìn)展。
明尼蘇達(dá)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型生物墨水，3D打印出了具有腔室、心室和血管結(jié)構(gòu)的心臟，在體外培養(yǎng)了60天之后，該結(jié)構(gòu)具備泵血功能。相關(guān)成果以封面文章的形式發(fā)表于Circulation Research（國(guó)際心血管領(lǐng)域頂級(jí)雜志）。
3D打印心臟原理示意圖
此前的3D打印心臟之所以不具備相關(guān)機(jī)電功能，是因?yàn)槌墒斓男募〖?xì)胞一般不易增殖或遷移，其在體外的構(gòu)建過(guò)程存在巨大挑戰(zhàn)，研究人員難以獲得所需的高細(xì)胞密度。明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究小組希望使用具有高度增殖能力的干細(xì)胞，在原位誘導(dǎo)心肌細(xì)胞分化，從而為心臟功能定制組織。最終，研究人員通過(guò)優(yōu)化配方實(shí)現(xiàn)了對(duì)心肌細(xì)胞的分化，并創(chuàng)造了一種新型的生物墨水，不僅可以在空間上準(zhǔn)確沉積，而且在打印過(guò)程中不需要任何支撐結(jié)構(gòu)，該墨水最終將降解以提供細(xì)胞增殖的空間。
生物打印后24天內(nèi)細(xì)胞增殖的演變過(guò)程
為了測(cè)試創(chuàng)建的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)使用磁共振成像掃描對(duì)打印的主動(dòng)脈結(jié)構(gòu)與3D數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)有86％的打印結(jié)構(gòu)控制在0.5mm的誤差范圍內(nèi)，橫截面對(duì)比發(fā)現(xiàn)內(nèi)部腔室具有很高的保真度。14天后，90%的生物墨水被單個(gè)和大型菌落細(xì)胞填充，到6周后，觀察到非常有限的細(xì)胞死亡，這表明3D打印的主動(dòng)脈結(jié)構(gòu)具有比較穩(wěn)定的狀況。
為了確定整個(gè)血管中機(jī)電功能的保存程度，研究人員對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)，在心臟表面檢測(cè)到的動(dòng)作電位反映了研究人員對(duì)改變起搏頻率和藥物刺激的預(yù)期反應(yīng)。
3D打印的人類心臟具備泵血功能
最終，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究小組得出結(jié)論，他們采用3D打印制造的人工心臟具有強(qiáng)健的機(jī)電反饋功能，而且其腔室、心室和細(xì)胞壁厚度比先前打印的都要高，這使得心臟的泵血功能更為強(qiáng)大。
END
使用患者自身組織作為“原材料”，3D打印真實(shí)心臟，對(duì)于解決器官移植造成的排異反應(yīng)意義重大。患者將不再需要一直等待或服用藥物來(lái)防止排斥反應(yīng)，相反，3D打印技術(shù)能夠?yàn)榛颊吡可矶ㄗ觥４送?，該技術(shù)還將解決或減輕日益嚴(yán)重的器官短缺問(wèn)題，從而在醫(yī)學(xué)界開(kāi)辟一條新道路，為未來(lái)的器官移植鋪平道路。
