在近期的一项新研究中， 科学家利用一项新的技术对心脏进行扫描， 然后在凝胶中重建了心脏结构 。 这一过程有点像制作果冻， 但在医学上有着非常重要的意义 。
在HBO的科幻剧《西部世界》中， 3D打印机已经可以大量生产出人形机器人， 并精细地组装成复杂得令人难以置信的人类形态 。 这些机器人可以做出和人类几乎一样的行为 。 当然， 实现这些需要大量的生物力学工作， 以确保身体各部位的协调 。 这项新研究是一个里程碑时刻， 标志着两年来该领域研究的高潮， 为外科医生和临床医生带来了即时的希望， 也为生物工程器官研究的未来带来了长期的影响 。 人类朝着制造出活组织人工器官又迈进了一步 。
近日， 在《ACS生物材料科学与工程》（ACS Biomaterials Science & Engineering）杂志上， 一个研究团队描述了他们如何利用低成本的3D打印机和磁共振扫描数据， 制作出人类心脏的可变形全尺寸模拟物 。 换言之， 你可以把它拿在手里， 捏一下， 会有非常真实的质感；切开它， 你能找到心房和心室 。 这种人工心脏的出现， 将有助于外科医生在手术前更好地练习心脏手术， 也可能最终导致全功能3D打印心脏的出现， 并为医疗设备开发商提供一个前所未有的平台， 用来测试他们的产品 。 研究人员将他们的技术称为“自由式可逆嵌入悬浮水凝胶”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels， 简称FRESH） 。 首先， 他们对一颗真正的心脏进行扫描， 然后将数据转换成3D打印机可以读取的格式 。 由于3D打印机的工作原理是一层一层地叠加材料， 因此他们通过一个切片器程序来运行3D图像 。 论文作者之一、美国卡内基梅隆大学的生物医学工程师亚当·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， 然后将这些路径输入3D打印机 。 ”
这台3D打印机利用海藻酸盐作为打印材料， 这是一种从海藻中提取的黏糊糊的物质 。 研究人员之所以选择海藻酸盐， 是因为其成本较低， 而且与人类心脏组织的材料特性相似 。 不过， 这台打印机并没有像普通的3D打印机那样将成品挤压到空气中， 而是将人工心脏挤压到一个装有支撑凝胶（主要是明胶）的容器中 。
“打个比方， 想象你是在发胶的内部打印， ”范伯格说道 。 你可以回想一下悬浮在凝胶瓶中的小气泡——这些胶状物质提供了足够的支撑， 使它们无限期地漂浮， 或者至少保持到你把凝胶挤出瓶子之前 。 对于FRESH， 明胶提供了足够的空间让3D打印机的针滑过 。 范伯格说：“无论挤压出什么东西， 它都会固定在某个地方， 就像发胶里的那些气泡 。 ”
在心脏器官打印完成后， 研究人员需要一种方法来溶解其周围的凝胶格架， 他们使用了一种很常见的方法 。 “我想很多人都有过在烘焙或制作果冻时使用明胶的经历， ”范伯格说， “当你加热明胶时， 它实际上是一种液体， 但当你冷却它时， 它又变成了固体凝胶 。 我们利用了这一点 。 ”当打印完毕， 准备提取人工心脏时， 范伯格所要做的就是将浴液升高到体温， 融化支撑凝胶， 只留下3D打印结构 。
在以往的医疗实践中， 已经有外科医生在计划手术前使用基于病人自身器官扫描的3D打印心脏 。 但这些人工心脏都是用旧的方法， 由硬塑料制成 。 相比之下， 这种新型海藻酸盐心脏具有与真实组织相似的弹性 。 “当你挤压它时， 它会发生同样程度的形变， 这显然比硬橡胶或塑料的形变大得多， ”范伯格说 。 这也使其成为一种更加真实的工具， 可供外科医生练习缝合等手术操作， 这在无法穿透的塑料上是不可能的 。
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