这种以海藻酸盐为（wéi）原料的（de）3D打印心脏（zāng）有着和真实心脏一样的手感

新浪科技讯 北京时间（jiān）11月25日（rì）消（xiāo）息，在近期的一项新研究（jiū）中，科学家利用一项新（xīn）的技术对心脏进行（háng）扫描，然后在凝胶中重（chóng）建了心脏结构。这一（yī）过程有点像制作果（guǒ）冻，但在医学上有着非常重要的意义。

在HBO的科（kē）幻剧《西部世界》中（zhōng），3D打印机已经可（kě）以（yǐ）大量生产出人形机器人（rén），并精（jīng）细地组装成复杂得令人难（nán）以置信的人类（lèi）形态。这些（xiē）机器人可以做出和人类几乎一（yī）样的行为。当然，实现这些需要大量的生物力学工作，以确保（bǎo）身体各（gè）部位的协调。这项新（xīn）研究是一个（gè）里程（chéng）碑时刻，标志着两年来该领域研究的高潮，为外（wài）科医生（shēng）和临床（chuáng）医生带来了即时的希望，也为生物工程器官研究（jiū）的未来（lái）带来了长期（qī）的（de）影响。人（rén）类朝着制（zhì）造（zào）出活组织人工器官又迈（mài）进了一步。

近日，在《ACS生物材料科学与工程（chéng）》（ACS Biomaterials Science & Engineering）杂志上，一个研（yán）究团队描（miáo）述（shù）了他（tā）们如何利用低成本的3D打（dǎ）印（yìn）机和磁（cí）共振扫描数据，制作出人类心脏的可变形全尺（chǐ）寸模拟物。换言之（zhī），你可以把它拿在手里，捏（niē）一下，会有（yǒu）非常真实的质感；切开它，你能找到心房和心室。这种人工心脏（zāng）的出现，将有（yǒu）助于（yú）外科（kē）医生在手术前更好（hǎo）地练习心脏手术，也可能最终导（dǎo）致全功能3D打印心脏的出现，并（bìng）为医疗设（shè）备开发商提（tí）供一（yī）个（gè）前所未有的平台，用（yòng）来测（cè）试他们的产品（pǐn）。

从核磁（cí）共振（zhèn）扫描到海藻酸盐（yán）3D打印心脏的变化过程（chéng），可以看到完好的（de）内部结构

研究（jiū）人（rén）员将他们的技术称（chēng）为（wéi）“自由式可逆嵌入悬浮水凝胶”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels，简称（chēng）FRESH）。首先，他们对一颗（kē）真正的心脏进（jìn）行（háng）扫描，然后将数据转（zhuǎn）换成3D打印机可以读取的格式。由（yóu）于3D打印机的工作（zuò）原理是（shì）一层一层地叠加（jiā）材料（liào），因（yīn）此他（tā）们（men）通（tōng）过一个切片器程序来运（yùn）行3D图像。论文作者之一、美国卡内基梅隆大学的生物医学（xué）工程师亚当·范伯格（Adam Feinberg）说（shuō）：“对于每一层，程序（xù）基本上（shàng）定义了材料将（jiāng）被挤压的路径，然后将这（zhè）些路径（jìng）输入3D打印机。”

这台3D打（dǎ）印机（jī）利（lì）用（yòng）海藻酸盐作为打印材料，这是（shì）一（yī）种（zhǒng）从海藻中提取（qǔ）的黏糊糊的物质。研究人员之所（suǒ）以选（xuǎn）择海藻（zǎo）酸盐，是（shì）因为其成（chéng）本（běn）较低，而且与人（rén）类心脏组织的材料特性相似。不过，这台打（dǎ）印机并没有像普（pǔ）通（tōng）的（de）3D打印机那样将成品（pǐn）挤压到空（kōng）气中，而是将人工（gōng）心（xīn）脏挤压到（dào）一个（gè）装有（yǒu）支撑凝胶（主要是明胶）的容器中。

3D打印出来的心脏冠状动脉部分，右边为充（chōng）满（mǎn）假血的状态（tài）

“打个比方，想（xiǎng）象你（nǐ）是在发胶的（de）内部打（dǎ）印，”范伯（bó）格（gé）说道。你可以回想一下（xià）悬浮在凝胶瓶中的小气泡（pào）——这些胶状物质提供了足够（gòu）的支撑（chēng），使（shǐ）它们无限期地漂浮，或者至少保持到你（nǐ）把凝胶挤出瓶子之前。对于FRESH，明胶提供了足够的空间让（ràng）3D打印机的针滑过。范伯格说：“无论挤压出什么东西，它（tā）都会固定在某个（gè）地方，就像发胶里的那些气泡。”

在心脏（zāng）器官打印完成（chéng）后（hòu），研究人员需（xū）要一种方（fāng）法来溶解其周（zhōu）围的凝胶格架，他们使用了一种很（hěn）常（cháng）见的方法。“我想很多人都（dōu）有过在烘（hōng）焙（bèi）或制作果冻（dòng）时使用明胶的（de）经（jīng）历，”范伯（bó）格说（shuō），“当你加（jiā）热（rè）明胶（jiāo）时（shí），它实际上是一种（zhǒng）液体（tǐ），但（dàn）当你冷却（què）它时，它又（yòu）变成了固体凝胶。我们利用了这（zhè）一点（diǎn）。”当打印（yìn）完毕，准备（bèi）提取人工心脏时，范（fàn）伯（bó）格（gé）所要做的就（jiù）是（shì）将浴液升高到体温，融化支撑凝胶（jiāo），只留下3D打印结（jié）构（gòu）。

亚当·范伯格（gé）及其团队开发（fā）的3D生物打印心脏模型

在以往的医（yī）疗实（shí）践中，已经有外（wài）科医生在计（jì）划手术前使用（yòng）基于（yú）病（bìng）人自身器官扫描的（de）3D打印心脏。但这些人工心（xīn）脏都（dōu）是用（yòng）旧的方法，由（yóu）硬塑料制成。相比之下，这种新（xīn）型（xíng）海（hǎi）藻酸（suān）盐心脏具有与真实组织相似（sì）的弹性。“当你挤（jǐ）压它时，它会发生同样程度的形变（biàn），这显（xiǎn）然比硬橡胶或塑（sù）料的形变大得多，”范伯格（gé）说。这也（yě）使其成为一种更（gèng）加真实的工具，可供外科医生练习缝合等手术操作，这在无法穿透（tòu）的塑料上是不（bú）可能的（de）。

此外，该团队还使用同样的技术3D打（dǎ）印了冠状动脉的一个单独部分，观察它是否可以（yǐ）灌注，或者说（shuō）能否携带血液。果然，当研（yán）究人员泵（bèng）入假血时，这个人工动（dòng）脉并不会漏出液体。范伯格表（biǎo）示，这是很重要的一步，我们越（yuè）来越接近开发出血管相互连接的（de）人工心（xīn）脏。利用（yòng）这（zhè）种心脏，外科医生就可以在有血液（yè）流（liú）动的情（qíng）况下练习（xí）缝合动脉。

此外，研究团（tuán）队还希望最终能将打印（yìn）出来的心脏“细胞化”，或是将（jiāng）人类（lèi）心脏（zāng）肌（jī）肉细胞添加到这个结构（gòu）中，让它像（xiàng）真实的心脏（zāng）一样跳动。科学家已经在实验室（shì）中（zhōng）培育（yù）干细胞，并使其分（fèn）化为（wéi）心脏细胞。问题是，至少在目前，他们一次（cì）只能制造约1亿个细胞，但一（yī）个正（zhèng）常大小的心脏（zāng）需要约1000亿个（gè）细胞。不过，范伯格指出：“一旦这个问题（tí）解决（jué），就（jiù）可以用上我们现在所使用（yòng）的这种制造技术了（le）。”

当打（dǎ）印完毕（bì），准备提取人工心（xīn）脏时，范伯格（gé）所（suǒ）要做的就（jiù）是将浴液升高到体温，融化（huà）支撑凝胶，只留下（xià）3D打（dǎ）印结构

那么，什（shí）么时候才能获得可操作（zuò）的3D生物打印器官呢？“答（dá）案是10年以（yǐ）上，”范伯（bó）格说，“在实现这一目（mù）标之（zhī）前，我们（men）还有很（hěn）多事情（qíng）要做。”毕竟，心脏是一个非常复杂、充满血管的（de）器官，他们（men）需要（yào）将动（dòng）脉的工作扩展至整个心脏（zāng）；而如（rú）果想要让人工心脏（zāng）真（zhēn）正像（xiàng）人体器（qì）官一样工作，还需要实（shí）验（yàn）室细（xì）胞生产（chǎn）技术的进（jìn）步。

与此同时，这（zhè）些（xiē）3D打印（yìn）心脏的早期产品已经可以帮助（zhù）外科（kē）医生更（gèng）好地（dì）为手术做（zuò）准备。“他们实际上拥（yōng）有（yǒu）了更（gèng）高（gāo）的（de）触觉保真度，这一点是非（fēi）常重要的，”心脏（zāng）重症监（jiān）护（hù）医（yī）生莉莉安·苏（Lillian Su）说道（dào）。她曾将3D打印作为一（yī）种培训工具进行研究，但没有参与这（zhè）项工（gōng）作。外科医生甚至可以使（shǐ）用（yòng）一颗定制的3D打印心脏（zāng）来与病人（rén）及其家人（rén）沟通，向他（tā）们解释手术将如（rú）何（hé）进行。“我认为这种材质是真（zhēn）正新奇的（de）部分，”莉莉安·苏补充道，“我认为（wéi）家属们会要求了解外科医生对于一个特定病例（lì）的计（jì）划，这将是同意过程的一（yī）部分。”

在未来（lái），医院或许（xǔ）将以更低廉的价格提供这种技术（shù），因为一（yī）颗海藻（zǎo）酸（suān）盐心脏的材料成（chéng）本可（kě）能只需10美元。范伯格和他的同事们还（hái）希望能用不同的材料进行实验，比如用胶原蛋白打（dǎ）印的心脏可能会（huì）更加逼（bī）真，因（yīn）为胶原蛋白本身（shēn）就是构（gòu）成结缔组织的蛋白质，是人体结构的组成部分。事实上，就干重（chóng）而言，我们身体里的胶原蛋（dàn）白比其（qí）他任何东西都多（duō）。但问题是，胶原蛋白要贵得多——同样的活组织打（dǎ）印心脏需要（yào）花费2000美元。

当然（rán），在复杂的心脏手术计划中，2000美元只是最低的投（tóu）资（zī）。“实际上，我们（men）认为，在许多应用中，胶原蛋白的真实感可能（néng）是值得的，”范伯格说，“但当（dāng）你（nǐ）在实（shí）验室做研究（jiū）时，特别是如果（guǒ）你在开发这项技（jì）术时会（huì）犯很（hěn）多（duō）错误的话（huà），我们首先还是（shì）会关注海藻酸盐（yán）。”

范伯（bó）格的近期目标是（shì）与外（wài）科（kē）医生和（hé）临床医生合（hé）作，对他（tā）们的技术进（jìn）行微调，确保能在医院（yuàn）环境下使用。“我们现在可以（yǐ）建（jiàn）立一个（gè）模（mó）型，不（bú）仅可以（yǐ）进行视觉规划，还可（kě）以进行物理实（shí）践，”他（tā）说，“外科医生（shēng）可以（yǐ）操纵它，使它像真实组织一样（yàng）产生反应。这样，当他（tā）们进入手（shǒu）术部位时，已经事先（xiān）有了一次额外的实际操作（zuò）。”

该研（yán）究的（de）主要作者埃曼·米尔达（dá）玛蒂（Eman Mirdamadi）补充道：“尽管在生物打印全尺寸功能性人类心脏方面仍然存（cún）在重大障（zhàng）碍（ài），但我（wǒ）们很（hěn）自（zì）豪（háo）能够（gòu）利用（yòng）这一新的平台为（wéi）该（gāi）领域奠定基础，同时展（zhǎn）示其（qí）在（zài）现实中外科手术模拟方面（miàn）的即时应用。”（任天）

这种以海藻酸盐为原料的3D打印心脏有着和真实心脏一样的手感新浪（làng）科技讯北京时间11月（yuè）25日消息，在近期的一项新研究中（zhōng），科学（xué）家（jiā）利用（yòng）一项新（xīn）的技术（shù）对心脏进行扫描，然后（hòu）在凝胶（jiāo）中重（chóng）建了心脏结构。这一过程有点（diǎn）像制作果冻，但在医学上（shàng）有（yǒu）着非（fēi）常（cháng）重要（yào）的意义。在HBO的科幻剧《西部世界》中（zhōng），3D打（dǎ）印机已经可以大量（liàng）生产出人形机器人，并精细地（dì）组（zǔ）装成复杂得令（lìng）人（rén）难（nán）以置（zhì）信的人类（lèi）形态。这（zhè）些机器人可以做出和人类几（jǐ）乎（hū）一样的行为。