在近期的一項新研究中， 科學家利用一項新的技術對心臟進行掃描， 然后在凝膠中重建了心臟結構 。 這一過程有點像制作果凍， 但在醫學上有著非常重要的意義 。
在HBO的科幻劇《西部世界》中， 3D打印機已經可以大量生產出人形機器人， 并精細地組裝成復雜得令人難以置信的人類形態 。 這些機器人可以做出和人類幾乎一樣的行為 。 當然， 實現這些需要大量的生物力學工作， 以確保身體各部位的協調 。 這項新研究是一個里程碑時刻， 標志著兩年來該領域研究的高潮， 為外科醫生和臨床醫生帶來了即時的希望， 也為生物工程器官研究的未來帶來了長期的影響 。 人類朝著制造出活組織人工器官又邁進了一步 。
近日， 在《ACS生物材料科學與工程》（ACS Biomaterials Science & Engineering）雜志上， 一個研究團隊描述了他們如何利用低成本的3D打印機和磁共振掃描數據， 制作出人類心臟的可變形全尺寸模擬物 。 換言之， 你可以把它拿在手里， 捏一下， 會有非常真實的質感；切開它， 你能找到心房和心室 。 這種人工心臟的出現， 將有助于外科醫生在手術前更好地練習心臟手術， 也可能最終導致全功能3D打印心臟的出現， 并為醫療設備開發商提供一個前所未有的平臺， 用來測試他們的產品 。 研究人員將他們的技術稱為“自由式可逆嵌入懸浮水凝膠”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels， 簡稱FRESH） 。 首先， 他們對一顆真正的心臟進行掃描， 然后將數據轉換成3D打印機可以讀取的格式 。 由于3D打印機的工作原理是一層一層地疊加材料， 因此他們通過一個切片器程序來運行3D圖像 。 論文作者之一、美國卡內基梅隆大學的生物醫學工程師亞當·范伯格（Adam Feinberg）說：“對于每一層， 程序基本上定義了材料將被擠壓的路徑， 然后將這些路徑輸入3D打印機 。 ”
這臺3D打印機利用海藻酸鹽作為打印材料， 這是一種從海藻中提取的黏糊糊的物質 。 研究人員之所以選擇海藻酸鹽， 是因為其成本較低， 而且與人類心臟組織的材料特性相似 。 不過， 這臺打印機并沒有像普通的3D打印機那樣將成品擠壓到空氣中， 而是將人工心臟擠壓到一個裝有支撐凝膠（主要是明膠）的容器中 。
“打個比方， 想象你是在發膠的內部打印， ”范伯格說道 。 你可以回想一下懸浮在凝膠瓶中的小氣泡——這些膠狀物質提供了足夠的支撐， 使它們無限期地漂浮， 或者至少保持到你把凝膠擠出瓶子之前 。 對于FRESH， 明膠提供了足夠的空間讓3D打印機的針滑過 。 范伯格說：“無論擠壓出什么東西， 它都會固定在某個地方， 就像發膠里的那些氣泡 。 ”
在心臟器官打印完成后， 研究人員需要一種方法來溶解其周圍的凝膠格架， 他們使用了一種很常見的方法 。 “我想很多人都有過在烘焙或制作果凍時使用明膠的經歷， ”范伯格說， “當你加熱明膠時， 它實際上是一種液體， 但當你冷卻它時， 它又變成了固體凝膠 。 我們利用了這一點 。 ”當打印完畢， 準備提取人工心臟時， 范伯格所要做的就是將浴液升高到體溫， 融化支撐凝膠， 只留下3D打印結構 。
在以往的醫療實踐中， 已經有外科醫生在計劃手術前使用基于病人自身器官掃描的3D打印心臟 。 但這些人工心臟都是用舊的方法， 由硬塑料制成 。 相比之下， 這種新型海藻酸鹽心臟具有與真實組織相似的彈性 。 “當你擠壓它時， 它會發生同樣程度的形變， 這顯然比硬橡膠或塑料的形變大得多， ”范伯格說 。 這也使其成為一種更加真實的工具， 可供外科醫生練習縫合等手術操作， 這在無法穿透的塑料上是不可能的 。
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