2021年1月，歐盟委員會批準了法國公司Carmat制造的人工心臟投入商用。據(jù)該公司介紹，該產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，有望緩解心臟捐贈者不足的問題，為需要移植心臟的患者帶來福音。該人工心臟暫定售價15萬歐元（合約118萬人民幣），根據(jù)市場需求每月生產量可達到10顆。
人工心臟被譽為“醫(yī)療器械皇冠上的寶石”，主要功能是利用生物機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)。對于重癥心力衰竭患者來說，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，這些裝置仍有很大的改進空間?？紤]到這一點，科學家們一直在著力研究采用新技術制造更加安全的心臟，3D打印便是近些年來被關注的焦點，且已經取得了顯著的進展。
2017年，3D打印的硅膠心臟實現(xiàn)跳動
2017年，蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學院的功能材料實驗室研究人員使用3D打印創(chuàng)建了一枚幾乎像真實心臟一樣跳動的柔性硅膠心臟，能夠以更安全、更舒適的方式來保持血液泵送。
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，并由一個充當器官肌肉的腔室分開。當腔室被加壓空氣充氣和放氣時，泵將液體從腔室中泵出。
3D打印跳動人工心臟
在測試設備時，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，它以與人類心臟相似的方式起作用。然而，有一個非常嚴重的限制，因為該材料只能承受大約3000次的打擊——相當于使用大約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路徑。
2019年，3D打印的微縮版心臟實現(xiàn)血管化
2019年，以色列特拉維夫大學研究人員宣布，他們用人類的脂肪組織，通過3D打印技術制作出了一顆“人造心臟”，雖然只是一個微縮版的原型，卻是人類“首次成功設計并打印出一個具有細胞、血管、心室和心房的完整心臟”。
3D打印血管化心臟
研究過程中，研究人員對病人的脂肪組織進行了活組織檢查。再將脂肪組織中的細胞和非細胞物質分離。在細胞被重編程為多能干細胞，并被有效分化為心臟細胞和內皮細胞的同時，細胞外基質——一種由細胞外大分子組成的三維網絡，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“?？茖W家借此打印出了血管化的心臟結構，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現(xiàn)泵血功能。
這顆心臟長度只有2.5厘米
這個結果給了研究人員極大的信心，證明了3D打印方法未來在工程化、個性化組織器官移植方面潛力巨大。
2020年，3D打印的真實心臟實現(xiàn)泵血功能
在經歷了3D打印的人工心臟缺乏必要生物細胞、缺乏機電功能，因而無法實現(xiàn)真實的心臟機電反饋（心肌機械變化引發(fā)的電生理變化）后，2020年3D打印心臟研究獲得突破性進展。
明尼蘇達大學研究團隊開發(fā)了一種新型生物墨水，3D打印出了具有腔室、心室和血管結構的心臟，在體外培養(yǎng)了60天之后，該結構具備泵血功能。相關成果以封面文章的形式發(fā)表于Circulation Research（國際心血管領域頂級雜志）。
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機電功能，是因為成熟的心肌細胞一般不易增殖或遷移，其在體外的構建過程存在巨大挑戰(zhàn)，研究人員難以獲得所需的高細胞密度。明尼蘇達大學的研究小組希望使用具有高度增殖能力的干細胞，在原位誘導心肌細胞分化，從而為心臟功能定制組織。最終，研究人員通過優(yōu)化配方實現(xiàn)了對心肌細胞的分化，并創(chuàng)造了一種新型的生物墨水，不僅可以在空間上準確沉積，而且在打印過程中不需要任何支撐結構，該墨水最終將降解以提供細胞增殖的空間。
生物打印后24天內細胞增殖的演變過程
為了測試創(chuàng)建的準確性，研究團隊使用磁共振成像掃描對打印的主動脈結構與3D數(shù)據(jù)進行了比較。發(fā)現(xiàn)有86％的打印結構控制在0.5mm的誤差范圍內，橫截面對比發(fā)現(xiàn)內部腔室具有很高的保真度。14天后，90%的生物墨水被單個和大型菌落細胞填充，到6周后，觀察到非常有限的細胞死亡，這表明3D打印的主動脈結構具有比較穩(wěn)定的狀況。
為了確定整個血管中機電功能的保存程度，研究人員對其進行了檢測，在心臟表面檢測到的動作電位反映了研究人員對改變起搏頻率和藥物刺激的預期反應。
3D打印的人類心臟具備泵血功能
最終，明尼蘇達大學的研究小組得出結論，他們采用3D打印制造的人工心臟具有強健的機電反饋功能，而且其腔室、心室和細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大。
END
使用患者自身組織作為“原材料”，3D打印真實心臟，對于解決器官移植造成的排異反應意義重大?；颊邔⒉辉傩枰恢钡却蚍盟幬飦矸乐古懦夥磻?，相反，3D打印技術能夠為患者量身定做。此外，該技術還將解決或減輕日益嚴重的器官短缺問題，從而在醫(yī)學界開辟一條新道路，為未來的器官移植鋪平道路。
