3D打印心脏――未来十年有望实现

从人耳到心脏瓣膜，3D打印机已经用在了医药领域，但是美国科学家现在正打算用这种多功能的新设备米制造一颗完整的人类心脏。他们的最终目标是，用患者身上的细胞来制造一颗新心脏。

造一颗心脏并让它在患者身上正常工作是一项雄心勃勃的计划，可能要等到儿年、甚至儿十年后，才能在一间标准手术室中把一颗3D打印心脏植入人体内。

不过，这项技术也并非那么遥不可及。科研人员已绎用3D打印机制造出了医用固定夹板、心脏瓣膜，甚至还有一只人耳。

3-5年打印出心脏部件

上述计划的负责人、心血管病学创新研究所细胞生物学家斯图尔特・威廉斯说，到目前为止，肯塔基州的路易斯维尔大学已经用细胞打印出了人体心脏瓣膜和小静脉。实验证明，这些小血管在老鼠等小动物身上可以正常工作。

如果一切能按计划进行，这种生物人造心脏有望在十年内进入人体实验阶段。首批受试者将是无法移植人工心脏的心脏病患者，比如因大小不合适而不能接受人工心脏的儿童。

他们还成功将细小的血管接在老鼠和其他小动物身上。威廉斯认为，科研人员将可能在三至五年内打印出心脏各部件并组装成一颗完整的心脏。

该成品将叫作“生物人工心脏”（bioficial heart），一种半天然半人工的产物。

威廉斯说，最大的挑战是让移植的细胞协同工作，就像它们在一颗正常心脏中所做的那样。利用患者自身细胞制造的器官可以解决一些患者对捐赠器官或人工心脏产生排异反应的问题，使患者不必服用抗排异药物。

他认为，如果一切按计划进行，这种心脏不到lO年就可以进行人体试验。但这种心脏将用患者体内的脂肪细胞制造，目前仍然存在很多困难，包括搞清楚如何才能让打印的心脏存活。

北卡罗来纳州韦克福里斯特大学的安东尼・阿塔拉正在领导一个小组，设法用3D打印机来制造人类肾脏。阿塔拉说：“对于肾和心脏这样复杂的器官，一个重大挑战就是向它们提供足够的氧气，直到它们与人体融为一体。”

已经可打印心脏瓣膜

3D打印的原理与常见的喷墨打印类似，只不过喷墨打印时喷出的是墨水，而打印心脏时，从针头中喷出的是细胞，这些细胞一层一层叠起来，形成一个立体的心脏。

威廉斯介绍说，打印用的细胞取白病人的脂肪。这些细胞需要经过仪器净化，再与凝胶混合后放入打印机“墨盒”中，按事先设定的形状打印。最终，这些细胞会长在一起，形成组织。

3D打印技术已经在医学界投入应用。先前已有研究人员利用3D打印技术打印出用来撑开患病儿童气管的支架以及心脏瓣膜，而康奈尔大学研究人员一年前曾用活细胞打印出一只耳朵。

除了3D打印这一途径外，还有科学家希望能把病人自体细胞放入“模子”，从而制作出色括心脏在内的多个器官。他们已经用这种方法制作出膀胱和气管并成功移植到人体。至于人类的心脏，当前还没有实验成功，不过，科学家们已经在实验室中制造出能跳动的老鼠心脏。可从人体尿液中获取能量

英国BrisLol机器人实验室的科学家们宣布，他们成功地使用3D打印机制造了第一台可驱动人工肌肉的机器“心脏”。这台机器心脏搭载微生物燃料电池（MFCs），可从人体尿液中获取能量。

这种机器“心脏”义被称为生物启发泵（biologicallyinspired pump），仍处于开发阶段，它是基于心脏的结构和功能原理进行设计的。科学家测试证明，机器“心脏”只需2毫升新鲜尿液即可执行连续33次动作，而且它可以以3.5伏的电压充电。

科学家开发机器“心脏”的目的不是为了制造用于人类或动物的假肢装置，而是希望能够为自主能源机器人（EcoBots）制造一个生物启发泵，这种机器人可以自动收集废物并将其转化为可自用的电能。

机器“心脏”使用微生物燃料电池技术，这种技术利用电化学电池中的活体微生物将有机原料转化为电能。自土能源机器人（EcoBots）就靠这种“心脏”获耿动力、执行给定的任务，这包括运动、环境检测以及远程基站进行无线通信。

该设备已经过测试，结果非常令人振奋。虽然科学家们承认，O.ll%的能量转换效率“有点低”，尽管如此，“这是‘同类中第一个’通过概念验证的原型，且研究人员们还没丌始提高能量转化效率的研究”，看来科学家们对提高能源转换率已然胸有成竹。

相关科学家们开展这个项目已经lO年时间了，在这期间，研究人员已经制造出四代EcoBots原型机。

在制造首个机器“心脏”样机时，科学家采用Stratasvs公司的光敏聚合物喷射技术打造刚性结构和机械部件。空心体的致动器和盖了都使用Objet的FullCure720刚性3D打印树脂创建。同样的3D打印工艺和材料被用来制造一个模具，然后使用有机硅弹性体浇铸来构建柔软、可压缩的区域。在第二个版本中，科学家们使用了的StraLasys公司柔软的橡胶状3D打印材料TangoPlus。通过3D打印直接构建弹性体部件，省去了模具制造和铸造阶段。

据悉，EcoBots的研发团队曾经接受过比尔和梅林达・盖茨基金会10万美元的捐赠。他们未来将着眼于提高机器“心脏”的工作效率，并将其纳入下一代MFC动力机器人。

打印出的器官保持活力尚难

不过，总体而言，用3D打印技术打印心脏说起来容易做起来难。研究人员说，他们而临的最大挑战是让打印出来的细胞像真正的心脏细胞那样协同工作。另外，如何让这些人造组织在打印出来后保持活力也是急需解决的难题。

正在尝试用3D打印技术打印肾脏的韦克福里斯特大学博士安东尼・阿塔拉说：“肾脏和心脏都是复杂的器官，我们必须为这些（打印）器官供氧以保证它们的活力，直到它们能与身体成为一个整体为止。”不管怎么说，技术的发展会让3D打印为人们所服务。

在最微小的范围内，3D打印机所能实现的生物工程任务仅此而已。最好的打印机可能只能打印儿毫米的结构，而最小的血管直径电就儿微米，一毫米相当于lOOO微米。

这就是3D打印技术只能让研究者们部分实现创造出一个完整心脏目标的原因。另外，研究者们还不得不依靠细胞天然的自我组织性质来连接血管，最终组合3D打印器官中的每个部件一一这一过程可以在24小时内完成。威廉斯说：“我们将打印大约数十微米或者差不多接近数百微米的东西，然后细胞将经历自身的生物发育反应，从而实现正确的自我组织过程。”

大多数研究者以为，实际大小的3D打印器官不可能会在未来10年或者15年内成为现实，但心血管病学创新研究所在继续稳步推进其10年内制造出3D打印心脏的目标。威廉斯预计其新一代“生物打印机”将于12月份开始批量生产。