3D打印心脏组织临床应用指日可待

□ 张雨薇

心血管疾病（CVD）是现代人类健康的一大杀手。根据WHO公布的数据，2016年全球约有1790万人死于CVD，占全球死亡人数的31%，其中有85%死于心脏病或中风。

目前，异体心脏移植作为针对晚期心力衰竭的有效治疗方法，仍受制于心脏供体来源不稳定。心脏移植来源通常包括病人自身、捐赠者、动物源或人工合成的移植组织。但是，每种类型的移植物都有自身缺陷，包括（但不限于）供体器官短缺、免疫排斥反应和治疗时间有限等。

针对以上难题，早已应用在医疗领域中的3D生物打印技术可能在未来的组织和器官移植治疗中大放异彩。由于自体干细胞和异体干细胞具有降低移植物免疫排斥反应、降低血栓形成效应等功能，对自体干细胞和异体干细胞的利用已成为心脏组织工程和3D生物打印领域研究热点。此外，3D生物打印技术致力于设计生物相容性高、支撑力强的组织支架结合细胞，并将其应用于临床，为治疗手段有限的疾病（如终末期心脏衰竭等）提供了新的临床解决方案。

以1984年Char l es W Hul l申请的立体光刻专利为起点，3D打印技术已经历了35年的发展。今年以来，3D打印心脏组织的技术壁垒不断被打破，相关研究取得了更多成果。

最新技术突破

今年8月初，美国卡耐基梅隆大学的研究人员开发出一种新的3D生物打印技术，该技术利用胶原蛋白替代人工合成材料作为3D打印材料，能够制造出图案复杂的高分辨率人体器官组织支架。研究人员利用该项技术成功打印出了各种心脏部件，如毛细血管、可收缩心室、新生儿心脏尺寸大小的人类心脏模型（包括血管系统、瓣膜等复杂结构）等，其分辨率高达20微米，远远超过此前研究中达到的100微米~500微米的分辨率。

胶原蛋白是一种结构物质，也是细胞外基质的主要成分，人体的主要内脏器官及组织都含胶原蛋白。胶原蛋白有足够的机械强度，可为细胞和组织成分提供结构空间。因此，用胶原蛋白制备的生物支架具有复制组织、器官结构、功能的能力，胶原蛋白也因此成为3D打印器官的一种理想的生物打印材料。

但是，用天然胶原蛋白制作3D打印生物墨水还面临一定的挑战。凝胶化通常通过热驱动的自组装来实现，这一过程不好控制，因此，用天然未变性的胶原蛋白来构建3D生物打印复合支架的难度很大。

最近被开发出的一种新技术——“悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入”攻克了这个难题。这种技术在打印中以明胶为结构支撑，用特定浓度的胶原蛋白为材料，当胶原蛋白被从灵活的打印喷嘴中挤出后，可以在支撑胶中逐层沉积并凝固成型。然后，通过调节温度变化（从室温至体温），原本作支撑用的明胶在融化的同时，打印出来的胶原蛋白的结构仍能保持完好，嵌入到胶原蛋白中的细胞也能保持完整。这一技术使用未经化学修饰的胶原蛋白作为生物墨水，通过提高胶原蛋白浓度（12毫克/毫升~24毫克/毫升）增加了力学性能，能创建具有复杂结构与功能的组织架构。

利用这项技术，研究人员打印出了由胶原蛋白和以人类胚胎干细胞来源的心肌细胞为材料的左心室模型，在产品打印精度大幅度提高的同时，该模型还兼具人类心室应有的完整结构和自发搏动功能、对外泵血功能。

这项技术的发明还为组织工程中诸如纤维蛋白、透明质酸、藻酸盐等各种软性生物材料的打印提供了一个适应性很强的平台，是由心血管组织工程时代向3D打印全尺寸成人心脏时代迈进的重要标志。

认证和技术门槛

尽管国外已有许多关于3D打印心脏组织的研究报道，但3D打印心脏组织在临床应用上仍面临诸多挑战。虽然自体细胞可减缓免疫排斥反应，但充足的自体细胞来源仍是个难题。此外，虽然这项技术发展迅速，但仍处于刚起步的状态，3D打印心脏组织的术后长期稳定性还未经过多层次验证。而最重要的一点是，需要根据每个病人的不同情况来实现对其本身心脏的“百分百复制”（即“个性化定制”），这将限制完整心脏的大批量产业化和商业化，存在完整培养周期长、成本高等问题。

国内生物打印行业中尚未应用对完整心脏器官的打印技术。近几年，蓝光英诺曾利用实验动物自体间充质干细胞，通过自主研发的3D生物打印技术体系进行干细胞生物墨汁制备和3D生物血管打印，再植入实验动物体内，在保持间充质干细胞干性的条件下，调动动物体内的自主再生能力实现血管再生。实验动物的术后存活率为100%。

此外，国内医疗3D打印领域还面临认证门槛。目前，国内通过国家药品监管部门认证的3D打印产品为几款非生物打印产品，如爱康医疗与北医三院合作生产的3D打印髋臼杯、3D打印人工椎体、3D打印椎间融合器等，尚无通过认证的3D生物打印产品。

市场渐趋成熟

高德纳咨询公司曾在2017年勾勒出3D打印技术发展趋势图。趋势图显示，2017年，3D生物打印仍处于萌芽期，被应用于生命科学领域中的研究将在未来5~10年间迎来成熟期。

根据美国联合市场研究机构Al l ied Mar ket Research的数据，来自医疗和外科中心的相关应用案例占市场份额的三分之二，且未来将在很长的一段时间内占据首要位置。除了辅助医疗、制造部分人体器官，3D打印还在提供定制、个性化医疗器械方面有较强的潜力。

美国联合市场研究机构Al l ied Mar ket Research的统计数据显示，2015年全球3D打印医疗保健市场销售额为5.79亿美元。根据前瞻产业研究院的分析，2015~2022年，全球3D打印医疗保健市场销售额的年均复合增长率维持在22%左右，到2022年，全球医疗保健市场销售额将突破23亿美元。由于使用生物打印的人工组织能够降低药物开发成本和风险、缩短开发周期，生物医药公司将成为该市场扩增的主要推动力之一。

3D生物打印技术的出现，意味着心脏组织工程研究向着与临床相关的CVD治疗迈进了一步。虽然这项技术还处于起步阶段，但它在心肌、血管和心脏瓣膜等结构再生方面具有光明前景。新型生物墨水和高分辨率打印机的研发也会进一步推动该领域的发展。此外，干细胞生物学研究和心脏细胞的高通量生产也有助于实现器官的按需构建。

目前虽然对于人工心脏组织结构的植入还需进一步的研究，但借助3D生物打印技术，将心血管组织系统从实验室研究状态转化为临床实际应用已指日可待。

（作者单位：思宇医械观察）