欧盟批准人工心脏投入商用，3D打印心脏未来可期

人工心脏被誉为“医疗器械皇冠上的宝石”，主要功能是利用生物机械手段部分或全部替代心脏泵血功能，维持患者的血液循环。对于重症心力衰竭患者来说，人工心脏是代替心脏移植的有效治疗手段。

然而，用于泵送血液的人工心脏装置仍存在缺点，这些装置仍有很大的改进空间。考虑到这一点，科学家们一直在着力研究采用新技术制造更加安全的心脏，3D打印便是近些年来被关注的焦点，且已经取得了显著的进展。

2017年，3D打印的硅胶心脏实现跳动

2017年，苏黎世瑞士联邦理工学院的功能材料实验室研究人员使用3D打印创建了一枚几乎像真实心脏一样跳动的柔性硅胶心脏，能够以更安全、更舒适的方式来保持血液泵送。

这种人工心脏与真正的心脏大致相同，重390克，拥有左心室和右心室，并由一个充当器官肌肉的腔室分开。当腔室被加压空气充气和放气时，泵将液体从腔室中泵出。

3D打印跳动人工心脏

在测试设备时，研究人员使用了与人体血液相似粘度的液体，发现从根本上说，它以与人类心脏相似的方式起作用。然而，有一个非常严重的限制，因为该材料只能承受大约3000次的打击——相当于使用大约30到45分钟。虽如此，该研究仍然证明了人造心脏的可行未来路径。

2019年，3D打印的微缩版心脏实现血管化

2019年，以色列特拉维夫大学研究人员宣布，他们用人类的脂肪组织，通过3D打印技术制作出了一颗“人造心脏”，虽然只是一个微缩版的原型，却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的完整心脏”。

3D打印血管化心脏

研究过程中，研究人员对病人的脂肪组织进行了活组织检查。再将脂肪组织中的细胞和非细胞物质分离。在细胞被重编程为多能干细胞，并被有效分化为心脏细胞和内皮细胞的同时，细胞外基质——一种由细胞外大分子组成的三维网络，如胶原蛋白和糖蛋白，被加工为一种水凝胶，作为打印的“墨水“。科学家借此打印出了血管化的心脏结构，这在人工心脏的研究和制备史上属于首次。虽然这颗心脏长度只有2.5厘米，和兔子的心脏大小相仿，但这颗心脏可以收缩，研究人员此后的努力方向则是使其实现泵血功能。

这颗心脏长度只有2.5厘米

这个结果给了研究人员极大的信心，证明了3D打印方法未来在工程化、个性化组织器官移植方面潜力巨大。

2020年，3D打印的真实心脏实现泵血功能

在经历了3D打印的人工心脏缺乏必要生物细胞、缺乏机电功能，因而无法实现真实的心脏机电反馈（心肌机械变化引发的电生理变化）后，2020年3D打印心脏研究获得突破性进展。

明尼苏达大学研究团队开发了一种新型生物墨水，3D打印出了具有腔室、心室和血管结构的心脏，在体外培养了60天之后，该结构具备泵血功能。相关成果以封面文章的形式发表于Circulation Research（国际心血管领域顶级杂志）。

3D打印心脏原理示意图

此前的3D打印心脏之所以不具备相关机电功能，是因为成熟的心肌细胞一般不易增殖或迁移，其在体外的构建过程存在巨大挑战，研究人员难以获得所需的高细胞密度。明尼苏达大学的研究小组希望使用具有高度增殖能力的干细胞，在原位诱导心肌细胞分化，从而为心脏功能定制组织。最终，研究人员通过优化配方实现了对心肌细胞的分化，并创造了一种新型的生物墨水，不仅可以在空间上准确沉积，而且在打印过程中不需要任何支撑结构，该墨水最终将降解以提供细胞增殖的空间。

生物打印后24天内细胞增殖的演变过程

为了测试创建的准确性，研究团队使用磁共振成像扫描对打印的主动脉结构与3D数据进行了比较。发现有86％的打印结构控制在0.5mm的误差范围内，横截面对比发现内部腔室具有很高的保真度。14天后，90%的生物墨水被单个和大型菌落细胞填充，到6周后，观察到非常有限的细胞死亡，这表明3D打印的主动脉结构具有比较稳定的状况。

为了确定整个血管中机电功能的保存程度，研究人员对其进行了检测，在心脏表面检测到的动作电位反映了研究人员对改变起搏频率和药物刺激的预期反应。

3D打印的人类心脏具备泵血功能

最终，明尼苏达大学的研究小组得出结论，他们采用3D打印制造的人工心脏具有强健的机电反馈功能，而且其腔室、心室和细胞壁厚度比先前打印的都要高，这使得心脏的泵血功能更为强大。

END

使用患者自身组织作为“原材料”，3D打印真实心脏，对于解决器官移植造成的排异反应意义重大。患者将不再需要一直等待或服用药物来防止排斥反应，相反，3D打印技术能够为患者量身定做。此外，该技术还将解决或减轻日益严重的器官短缺问题，从而在医学界开辟一条新道路，为未来的器官移植铺平道路。