这种（zhǒng）以海藻酸盐为原（yuán）料（liào）的3D打印心脏有着和真实心脏一（yī）样的手（shǒu）感

新浪科（kē）技讯 北京（jīng）时间（jiān）11月25日消息（xī），在近期的（de）一（yī）项（xiàng）新研究中，科学家利用一项新的技术（shù）对心（xīn）脏进行（háng）扫描，然后在（zài）凝胶中重建了心（xīn）脏结构。这一过程有点（diǎn）像（xiàng）制作果冻，但在医学上有着（zhe）非常重要的（de）意义（yì）。

在HBO的科幻剧《西部世界》中（zhōng），3D打印（yìn）机已（yǐ）经（jīng）可以大量生产出人形机器人（rén），并精细地组装成复（fù）杂得令（lìng）人难以置信的人类（lèi）形态。这些机器人可以做出（chū）和人类几乎（hū）一样的行为（wéi）。当然，实现这些需要大量的（de）生物力学工作，以确（què）保身体（tǐ）各部位的（de）协调。这项新研究是一（yī）个里程碑（bēi）时刻，标志着两年来（lái）该领域研（yán）究（jiū）的（de）高潮，为外科医生和临床医生带来了即时的（de）希望，也为生物（wù）工程器官研（yán）究（jiū）的未来带来了长期的影响（xiǎng）。人类朝着制造出活组织人工器（qì）官又（yòu）迈进了一步（bù）。

近日，在（zài）《ACS生（shēng）物材料科学（xué）与工程》（ACS Biomaterials Science & Engineering）杂志上，一个研（yán）究团（tuán）队描述了他们如（rú）何（hé）利用低成本的3D打印机和磁（cí）共振扫描数据（jù），制作出人类心脏的可（kě）变（biàn）形全尺寸模（mó）拟物。换言（yán）之，你可以把它（tā）拿（ná）在手里，捏一下，会有非常真实（shí）的（de）质感；切开它（tā），你能（néng）找到心房和心室。这种人工心（xīn）脏（zāng）的出现，将有（yǒu）助于外（wài）科医生（shēng）在手术前更好地练（liàn）习心脏手术，也可能最终导（dǎo）致全功能3D打印心（xīn）脏的（de）出现，并为医疗（liáo）设备开发商提供一个（gè）前所未有的平台，用来测试他们的产品。

从（cóng）核磁共振扫（sǎo）描到海藻酸盐（yán）3D打印心脏的变化过（guò）程，可以看到完好的内部（bù）结构

研究人员将他们（men）的技术称为“自由式可（kě）逆嵌入悬浮水凝胶”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels，简称FRESH）。首先，他（tā）们对（duì）一颗真（zhēn）正的心（xīn）脏进（jìn）行扫描，然后将数据转换成3D打印（yìn）机可以读取的格式。由于3D打（dǎ）印机的工（gōng）作（zuò）原理（lǐ）是一层一层（céng）地（dì）叠（dié）加材料，因此他们通（tōng）过一个切片（piàn）器程序（xù）来（lái）运行3D图像。论文作者之一、美国卡内基梅隆（lóng）大（dà）学的生物医学工程（chéng）师（shī）亚当·范伯格（Adam Feinberg）说：“对于每一层，程序基本上定义了材料将被挤压的路径（jìng），然后将这些路径输入3D打印机。”

这（zhè）台3D打（dǎ）印机利（lì）用海藻酸盐作（zuò）为打印材料，这是一种从海藻（zǎo）中提（tí）取的黏糊糊的物质。研究人员（yuán）之所以选择海藻酸（suān）盐，是因为其成本较低，而且（qiě）与人（rén）类心脏组织（zhī）的材（cái）料特性相似（sì）。不过，这台打印机并没有像普通的3D打印机（jī）那样将成品（pǐn）挤压到空（kōng）气中，而是将人工心脏挤压到一个装（zhuāng）有支撑凝胶（主要是（shì）明胶）的容器（qì）中。

3D打印出来的心脏（zāng）冠（guàn）状动脉部分，右边（biān）为充（chōng）满假血的状态

“打个比方，想象你是在发胶的内部打印，”范伯格（gé）说（shuō）道。你（nǐ）可以（yǐ）回想一下悬浮在凝胶瓶（píng）中的小（xiǎo）气（qì）泡——这些胶（jiāo）状（zhuàng）物（wù）质提供了足够的支撑（chēng），使它们无限期地漂浮，或者至少保持（chí）到你把（bǎ）凝胶（jiāo）挤出瓶子之前。对于FRESH，明胶提供（gòng）了足够的空间让3D打印（yìn）机的针滑过。范伯格说：“无论挤压（yā）出什么东（dōng）西（xī），它都会固（gù）定在某个地方，就像发（fā）胶里的（de）那些气泡。”

在心脏（zāng）器官打印完成后，研究人员需要一（yī）种方法来溶解其周围的凝胶（jiāo）格架，他们（men）使用了一种很常见的方法。“我想很多人都有（yǒu）过（guò）在烘（hōng）焙或制作果冻时使（shǐ）用明胶的经历，”范伯格说，“当你加（jiā）热明胶时，它实际上是一种液（yè）体，但当你冷却它（tā）时，它又（yòu）变成（chéng）了固体凝（níng）胶。我们利用了这一点。”当打印（yìn）完（wán）毕，准备提（tí）取人工（gōng）心（xīn）脏时，范伯（bó）格所要做（zuò）的就是将浴液升高（gāo）到体温，融化（huà）支撑（chēng）凝胶，只留下3D打印结构（gòu）。

亚（yà）当·范伯格及（jí）其团（tuán）队开发的3D生物打印心脏模型

在以往的医疗实（shí）践中（zhōng），已（yǐ）经（jīng）有（yǒu）外科医生在计划手术前（qián）使（shǐ）用基于病人（rén）自身器官扫描（miáo）的3D打（dǎ）印心脏。但（dàn）这些人工（gōng）心脏（zāng）都（dōu）是（shì）用旧（jiù）的方法，由硬塑料制成。相（xiàng）比之下（xià），这种（zhǒng）新型海（hǎi）藻酸盐心脏具有与真（zhēn）实组织相似的弹性。“当你挤压它时，它会发生同样（yàng）程度（dù）的形变，这显然比硬（yìng）橡胶或塑料的形变大得多，”范伯格说。这也使其（qí）成为一种更加真实的（de）工（gōng）具，可供外科医生（shēng）练习缝（féng）合等（děng）手术（shù）操作，这在无法穿透的塑料上是不可能的。

此（cǐ）外，该团（tuán）队还（hái）使用（yòng）同样的技术3D打印了冠状动脉的一个单独部分，观察它是（shì）否可以灌（guàn）注，或者说能否携带血（xuè）液（yè）。果然，当研究人员泵（bèng）入假血时，这个人工动脉并不会漏出液体。范伯格表示，这是很（hěn）重要的一步，我们越来越接近（jìn）开发（fā）出血（xuè）管相互连接的（de）人工心脏（zāng）。利用（yòng）这种心（xīn）脏，外（wài）科医生就可以在有血液（yè）流动（dòng）的情况下练习缝合动脉。

此外，研究团队（duì）还（hái）希望最终能将打（dǎ）印出来的（de）心脏“细胞（bāo）化”，或是将人类心脏（zāng）肌肉细胞添加（jiā）到这（zhè）个结构中，让它像真实（shí）的心脏一样跳动。科学家已经在实验室中（zhōng）培育干（gàn）细胞（bāo），并使其分化为心脏细胞。问题是（shì），至少在目前，他们一次（cì）只能制造约1亿个细胞，但（dàn）一个正常大小的心脏（zāng）需要约1000亿（yì）个细胞。不过，范伯格指出：“一旦这个问题解决，就可以用上（shàng）我们现在所使用（yòng）的这种制造技术了（le）。”

当打印完毕，准备（bèi）提（tí）取人工心脏时，范伯（bó）格所要做的就是（shì）将（jiāng）浴（yù）液升高到体温（wēn），融化（huà）支撑凝（níng）胶，只留下3D打印结构

那么，什么时候（hòu）才能获得可操作的（de）3D生物打（dǎ）印器官呢？“答案是（shì）10年以上，”范伯格说，“在实现这一目（mù）标（biāo）之前，我们（men）还有很多事情要做。”毕竟（jìng），心脏是一个（gè）非常复杂、充满血管的器官，他们（men）需要将（jiāng）动脉（mò）的工作扩（kuò）展（zhǎn）至整个（gè）心脏；而如果想（xiǎng）要（yào）让人工（gōng）心脏真正像人（rén）体器官（guān）一样工作，还需要实（shí）验室细胞生产技（jì）术（shù）的进步。

与此（cǐ）同时（shí），这些3D打（dǎ）印心脏的（de）早期产品已（yǐ）经可以帮助外科医生更好地为（wéi）手术做准（zhǔn）备（bèi）。“他们实际上拥有了（le）更高的触觉保（bǎo）真度，这一点是非常（cháng）重（chóng）要的，”心脏重（chóng）症监护（hù）医生莉莉安·苏（Lillian Su）说道。她曾（céng）将3D打（dǎ）印（yìn）作为一种（zhǒng）培（péi）训工具进行研究，但没有（yǒu）参与这项工作。外科医生（shēng）甚至可（kě）以使用一颗定制的3D打（dǎ）印心脏来与病人及其家人沟通，向（xiàng）他们解释手术将如（rú）何进行。“我（wǒ）认为这（zhè）种（zhǒng）材质是真正新奇的部分（fèn），”莉莉（lì）安（ān）·苏补充道（dào），“我认为家（jiā）属（shǔ）们会（huì）要求了解（jiě）外（wài）科（kē）医生（shēng）对（duì）于一个特定病例的（de）计（jì）划，这将是同意过程的（de）一部分。”

在未来，医院或许将以更低廉的价格（gé）提供这种技术，因为一颗（kē）海藻酸盐心脏（zāng）的材料成本（běn）可能只需（xū）10美元（yuán）。范伯格和（hé）他的同事们还希望能（néng）用不同（tóng）的材料（liào）进行实验，比如用胶原蛋白打印（yìn）的心脏（zāng）可能（néng）会（huì）更加逼真（zhēn），因为胶原蛋白（bái）本身就（jiù）是构成结（jié）缔组织的（de）蛋白质，是人体结构的组成部分。事实上，就（jiù）干重而言，我们身体里的（de）胶原蛋白比其他任（rèn）何东西都多（duō）。但问题是，胶原蛋白要贵得多——同样的活（huó）组织打（dǎ）印心脏需要花费（fèi）2000美（měi）元。

当然，在复杂的心脏手（shǒu）术计划中，2000美元只（zhī）是（shì）最低的（de）投资。“实（shí）际上（shàng），我们认为（wéi），在许多应用中，胶原（yuán）蛋白的真实感（gǎn）可能是值得（dé）的，”范伯格说，“但当你在实验室做研究时，特别是如果你（nǐ）在开发这项技术时会（huì）犯很多错误（wù）的话，我们首先还是会关（guān）注海藻酸盐。”

范伯格的（de）近期目标（biāo）是与外科（kē）医生和（hé）临床医生合（hé）作，对他们（men）的（de）技术进行微调，确保能在医院环境下（xià）使用。“我们（men）现（xiàn）在可（kě）以建立一个模型，不仅可以（yǐ）进行视觉规划，还可以进行物（wù）理实践，”他说，“外科医生可以操纵它，使它像真实组（zǔ）织一样产生反应。这样，当他们（men）进入（rù）手术（shù）部位时，已经事先有了一（yī）次额外（wài）的实际操作。”

该研（yán）究的主（zhǔ）要（yào）作（zuò）者埃曼·米尔达玛蒂（Eman Mirdamadi）补充（chōng）道（dào）：“尽管在生物（wù）打印全尺寸功能性人类心脏方面仍然（rán）存在重大障碍，但（dàn）我们很自豪（háo）能够利用这（zhè）一新的平台为该领域奠（diàn）定基础，同时展示其在现实中外（wài）科手术模拟方面的即时应用。”（任天）

这种以海藻（zǎo）酸盐为（wéi）原料的（de）3D打印心脏有着和真实心脏一样的手感新浪科（kē）技讯北（běi）京时间11月25日消（xiāo）息，在近期（qī）的一项（xiàng）新研究中，科学家利用一项新的技术对心脏进（jìn）行（háng）扫（sǎo）描，然后（hòu）在凝（níng）胶中重建（jiàn）了心脏结（jié）构（gòu）。这一（yī）过程有点像（xiàng）制作果冻，但在医（yī）学（xué）上有着非常重要（yào）的（de）意义。在HBO的科（kē）幻剧《西部世界》中，3D打印机已（yǐ）经可以大（dà）量生产出人形机器人，并精细地组装成复杂得（dé）令人（rén）难以置信的人类形态。这（zhè）些机器（qì）人可以做出和人（rén）类几乎一（yī）样的行为。