哈佛大学开发新型墨水写入技术生物3D打印大型血管化人体器官

来自哈佛大学Wyss研究所的研究人员开发了一种新的生物墨水书写入技术，称为SWIFT（写入功能组织），用于3D打印大型血管化人体器官构建块（OBB）。该团队展示了它的方法，创造了在7天内同步融合跳动的心脏组织。这使得可注入患者的器官达到治疗效果。  SWIFT生物制造方法在从原始细胞聚集体到干细胞衍生的类器官的OBB中大规模创建器官特异性组织方面非常有效。
通过增材制造减少移植等待时间

据研究人员称，在美国，每天约有20人死于器官移植。虽然现在每年进行超过30,000例移植手术，但目前有超过113,000名患者正在等待器官。为了解决这种器官短缺问题，科学家们将他们的希望寄托在人造器官上。

组织工程是一个快速发展的领域。 3D打印的进步已经导致使用该技术来构建人体器官形状的活组织构造的繁荣。由患者特异性诱导的多能干细胞衍生的类器官组成的器官构建块提供了获得具有必需的细胞密度，微结构和功能的组织的途径。然而，迄今为止，很少关注它们组装成3D组织结构。通过将血管通道3D打印由干细胞衍生的OBB组成的活体基质，该团队的SWIFT技术克服了这一主要障碍，并产生具有高细胞密度和功能的活的器官特异性组织。 “这是一种全新的组织制造模式。”Wyss研究所研究员Mark Skylar-Scott博士说。“不仅仅是试图3D打造一个整体的细胞，SWIFT的焦点是生物3D打印一个支持生活的组织构造，其中包含大量的OBBS，可以最终用于修复和替换人类组织的实验室 ，包含患者自己细胞的成长版本。“

使用薄喷嘴模拟器官脉管系统，将由红色，基于明胶的“墨水”通道的分支网络3D打印成由数百万个细胞（黄色）组成的活体心脏组织构建体。照片来自哈佛大学威斯学院。

SWIFT生物制造
SWIFT是一个两步生物制造过程，首先将数十万个这些OBB组装成具有高细胞密度的活体基质，形成密集的OBB生命矩阵。每毫升含有约2亿个细胞，用于SWIFT的OBB基质也必须表现出所需的自愈性粘塑性行为。
在第二步中，通过嵌入式生物3D打印将可灌注血管通道嵌入基质内。构建的血管网络允许氧气和其他营养物质通过，将这些重要物质传递给细胞。“从这些OBB中形成一个密集的基质，一举两得：它不仅能达到类似于人体器官的高细胞密度，而且基质的粘度还能够在其中印刷普遍存在的可灌注通道网络，以模仿支持人体器官的血管。“SébastienUzel博士补充道，他是Wyss研究所和SEAS的研究助理。
如何打造一颗跳动的心脏
SWIFT方法中使用的细胞聚集体来自成体诱导的多能干细胞。与定制的细胞外基质（ECM）溶液混合，形成通过离心压实的活体基质。在低温（0-4℃）下，致密基质具有蛋黄酱的稠度。柔软到足以在不损坏细胞的情况下进行操作，矩阵仍然足够厚以保持其形状 ，是3D打印的理想媒介。在这种技术中，一个薄喷嘴移动通过这个矩阵，沉积一股明胶“墨水”，将细胞推开而不会损坏它们。

加热到37°C，冷基质逐渐变硬，变得更坚固。随着温度升高，明胶油墨熔化并可以洗掉。这留下了嵌入组织构建体内的通道网络，其可以用氧合培养基灌注以滋养细胞。研究人员能够将通道的直径从400微米变为1毫米。 3D打印通道可以无缝连接以在组织内形成分支血管网络。

没有SWIFT印刷通道的组织在培养12小时后（左侧）在其核心中显示细胞死亡（红色），而具有通道的组织（右）具有健康细胞。照片来自哈佛大学威斯学院。
SWIFT治疗应用的未来
为了确定组织是否显示器官特异性功能，团队3D打印和灌注分支通道结构到由心脏衍生细胞组成的基质中。在制造心形结构之后，介质通过通道飞行超过一周。在此期间，心脏OBB融合在一起以形成更坚固的心脏组织。收缩变得更加同步，强度超过20倍，模仿了人类心脏的关键特征。
在未来，该团队设想采用新协议，提供创建更成熟，微血管化OBB的途径。与Wyss Institute教员波士顿大学的Chris Chen博士和麻省理工学院的Sangeeta Bhatia博士正在进行合作。

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