一種史無前例的技術方法，它使得組織工程學向著 3D 打印出全尺寸的成人心臟又邁進了一大步。卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的研究人員于 8 月 2 日在 Science 雜志上發(fā)表了一篇論文，介紹了一種新的、采用膠原蛋白來 3D 生物打印出人體組織結構的技術。其中所使用的打印材料膠原蛋白，正是人體的主要結構蛋白。

在該研究中，論文的第一作者 Andrew Lee 和他的同事，采用心肌細胞和膠原蛋白雙材料的打印策略，打印出一個左心室模型，并進一步分析了該模型的功能，觀察到了心率失常相關的電生理行為和心室收縮現象。他們甚至進一步打印出相當于新生兒的人體心臟膠原模型，證明了 FRESH2.0 打印大型結構的能力。

這項技術被其研究團隊稱為“懸浮水凝膠的自由可逆嵌入”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels, FRESH），該技術的發(fā)現幫助研究人員克服了現有 3D 生物打印技術涉及的諸多問題，并利用“柔軟而有生命”的活體材料，讓打印出的組織結構達到前所未有的分辨率和保真度。

3D 打印是一種以數字模型為基礎，采用各自不同的材料，通過逐層疊加的方式來構造物體的技術。技術出現伊始，常用于模具制造、工業(yè)設計等領域，后逐漸用于一些產品的直接制造。最早在 2000 年前后， 3D 生物打印這一技術概念由美國幾所大學的教授提出；至 2003 年， Mironv V 和 Boland T 在 Trends in Biotechnology 雜志系統(tǒng)地提出了“器官 3D 打印”這一概念。

盡管 3D 打印技術的潛力巨大，但受限于生物組織的保真度差、打印的分辨率低等技術限制， 3D 打印技術在生物醫(yī)學領域的廣泛應用受到了極大掣肘。特別是用活細胞打印和制造膠原蛋白等軟質生物材料，這兩個被寄予厚望的研究目標一直舉步維艱。如今，這項最新研究突破了這一技術瓶頸。

Andrew Lee 在 2015 年第一次提出該方法（FRESH），經過了 4 年多的不斷改良和研發(fā)，到了 FRESH v2.0 版本， 3D 生物打印技術利用 pH 值的快速變化，可使擠壓出的膠原蛋白凝固，并實現精確控制。

FRESH v2.0 的 3D 生物打印技術可以創(chuàng)建出擁有復雜功能的組織結構，并能將其進一步嵌入活細胞或復雜的血管系統(tǒng)中，其打印分辨率可達 10 μm 。Lee 和他的同事用這種方法，可以完全依靠膠原蛋白和人體細胞來制造出人類心臟的各個部分，包括心臟組織、收縮心室，甚至是新生兒尺寸的心臟。

人體的每一個器官，都是由一種叫做細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的生物支架，將各種特殊的細胞組成在一起的。這種 ECM 蛋白網絡可以提供人體細胞正常功能運轉所需的結構和生化信號。這個 ECM 架構如此復雜，以至到目前為止，研究人員還沒有發(fā)現任何使用傳統(tǒng)的生物制造方法來重建的可能。傳統(tǒng)方法遇阻，很多科研人員都轉向 3D 生物打印的研究，以期獲得突破。

對于 3D 生物打印領域來說，相比于之前采用其他材料做出的突破， FRESH 技術的發(fā)現是真正令人感到興奮的。因為它可以用膠原支架打印出大規(guī)模的人體器官。在今年 4 月，以色列特拉維夫大學（Tel Aviv University）的研究團隊采用人體組織首次 3D 打印出了一顆心臟，而在此之前，人們所打印出的心臟通常采用的都是人工材料。

特拉維夫大學的研究團隊所打印出的這顆心臟是一個微縮模型，僅有櫻桃大?。ㄏ喈斢谕米拥男呐K），雖然是帶有血管和細胞的完整心臟，但并不能統(tǒng)一地收縮和舒張，不具備泵血功能。而且從器官體積來看，如果想達到打印出人類心臟大小的程度，實際還需要長期的研究。

對于 FRESH 技術，其不僅限于膠原蛋白的 3D 打印，纖維蛋白、藻酸鹽、透明質酸等多種軟性凝膠均可采用該技術來實現 3D 打印，這就為組織工程學提供了一個強大的、適用性廣泛的平臺。另外很關鍵的一點是，研究人員同時開發(fā)了數字建模的開源設計，這樣可以讓任何人——不論是在醫(yī)學實驗室的研究人員，還是在高中大學校園里的學生——都可以用較低的成本構建出自己的高性能 3D 生物打印機。

著眼于未來， FRESH 技術在再生醫(yī)學領域的許多方面都能得以應用，從傷口修復到器官生物工程，橫跨多個方向。在美國，目前有 4000 多名患者正在排隊等待心臟移植，而世界范圍內，則更是有數百萬人需要心臟，但卻沒有資格進入等候名單。所以市場對替代器官的需求是相當大的，需要有新的方法來修復、補充或者制造出能長期替代器官功能的人造器官。

2018 年，卡內基梅隆大學的再生生物材料和治療集團利用 FRESH 技術創(chuàng)立了 FLuidForm 公司，并與開源 3D 打印機制造商 Aleph Objects 合作，攜手進入 3D 生物打印市場。對 Aleph Objects 的 CEO 兼總裁 Grant Flaharty 來說，這項合作讓他們成為未來 8~9 年內預計將增長到近 20 億美元的新市場的一部分。