Science重磅：3D打印心脏迈出重要一步

7月11日，3D打印技术参考注意到一篇发表于Science，名为《Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning》的论文，被美国科学促进会评为是器官生物制造的重要一步。论文明确指出，所采用的聚焦旋转喷射纺丝 (FRJS)，是一种增材制造方法，可以快速制造具有3D几何形状可编程排列的微/纳米纤维支架。

ScienceAAAS对该论文的分析指出，心脏的泵血作用来自心肌细胞，它们组成了包裹心室的螺旋纤维。心脏每跳动一次，这种排列都会产生收缩与扭动的组合运动。虽然人们长期猜测扭动对心脏泵血效率十分重要，但心脏的螺旋组织结构与其功能的关系一直难以评估，这是因为使用当前的技术再现心脏肌肉组织的精细空间特征和复杂结构极具挑战。此外，导致心室扭动改变的结构异常与心力衰竭有关。

采用3D打印构建心脏已经取得了一些进展，但传统3D打印方式构建组织架构，以当前分辨率（约250μm特征尺寸）打印细胞外基质组件需要数小时到数天，如果以原生特征尺寸（1μm）打印一颗分辨率达到胶原蛋白水平的心脏可能需要数百年。另一种盛行的技术是电纺，它可以解决微纳米尺度打印的效率问题，但这种技术同样存在致命缺陷，那就是无法控制微纳米纤维的堆积取向，尤其是在不规则的3D形状物体中。

哈佛大学Kevin Kit Parker教授领导的研究团队通过一项全新的技术成功解决上述问题，采用聚焦旋转射流纺丝法（focused rotary jet spinning (FRJS)）来构建心脏的多尺度结构，包括受控排列和三维几何形状，建立了第一个人类心室与螺旋排列心肌细胞的生物混合模型，并表明肌肉排列确实可以显著增加心室在每次收缩时泵出的血液量。

FRJS被研究团认做是一种增材制造方法，它使用离心喷射纺丝快速形成聚合物微/纳米纤维，然后通过受控气流进行聚焦和空间图案化。这种方法允许快速制造在三个维度上具有可编程纤维排列的结构，因此以重建迄今为止通过当前生物制造技术无法获得的复杂解剖结构。

FRJS可以快速纺制单微米级的纤维，利用这一技术，研究团队成功打造出具有真实螺旋结构的心脏模型。FRJS可以让研究者严格按照心脏中心肌纤维螺旋排列的角度，重建单个甚至是4个心室的复杂心脏结构。而FRJS的效率同样惊人——其可以在一天之内重建微纳米尺度心脏模型。

之后，在心室上接种大鼠心肌细胞或人干细胞衍生的心肌细胞。在大约一周内，几层薄薄的跳动组织覆盖了支架，细胞跟随下方的纤维排列。跳动的心室可以模仿人类心脏中存在的相同的扭曲或拧动运动。研究人员比较了由螺旋排列纤维制成的心室和由圆周排列纤维制成的心室之间的心室变形、电信号速度和射血分数。他们发现，螺旋排列的组织优于周向排列的组织。

该团队还证明，该过程可以放大到实际人类心脏的大小，甚至达到小须鲸心脏的大小，然而这需要数十亿个心肌细胞。

因此，如果能够制造出具有相似结构特性的正常心脏，那采用该技术也可以故意使纤维方向错位以构建患病心脏的模型。