就在不久前，学术经纬团队和读者朋友们介绍了 3D 打印器官的一项重磅突破：科学家们造出了包含血管和气道、会 “呼吸” 的迷你人工肺。该研究登上了顶尖学术期刊《科学》的封面。而在最新一期《科学》上，生物工程学家们再次突破生物材料的技术障碍，带来一项 “激动人心” 的新成果。

▲生物打印技术模拟肺组织和复制人类心脏结构，让复杂的 “人造器官” 正在变成现实（图片来源：参考资料 [2]）

美国卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的科学家们开发出一种创新的 3D 生物打印技术，以胶原蛋白为材料，制造出具有更高分辨率、图案可以更复杂的人体器官组织支架。“这种史无前例的方法，使组织工程学领域向 3D 打印全尺寸成人心脏又迈进了一步。” 研究机构的新闻介绍。

胶原蛋白是一种十分理想的生物材料。因为这类蛋白质本身就是人体主要的结构蛋白，是细胞外基质的主要成分。它们有足够的机械强度，为细胞和组织成分提供结构空间。Andrew Hudson 博士是这项研究的共同一作，用他的话说，“人体几乎每个组织都由胶原蛋白构成”。

尽管如此，要用天然的胶原蛋白做 3D 打印的生物墨水，还有难题需要解决。“它是液态的，假如你想在空气中把它打印出来，那么你只会在制作平台上得到一滩水。”Hudson 博士解释。

▲该研究的负责人 Adam Feinberg 教授（图片来源：卡耐基梅隆大学）

如何让胶原蛋白保持完整的组织形状，还要达到高分辨率和高保真度？为此，Adam Feinberg 教授领衔的研究团队开发了一种新技术，他们将其命名为 “新鲜”（FRESH），全称是 “悬浮水凝胶的自由可逆式嵌入”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）技术。

这种 3D 打印技术以明胶作为支撑床，特定浓度的胶原蛋白从灵活的打印喷嘴中挤出后，可以在支撑胶中逐层沉积和凝固。等到打印完成，研究人员把温度从室温调整到体温，就可以让支撑用的明胶融化，同时让打印出来的胶原蛋白结构、嵌入胶原蛋白中的细胞保持完好。

利用 FRESH 技术，他们用细胞和胶原蛋白成功打印出不同尺寸的心脏零件：小到毛细血管，大到与新生儿心脏相当的人类心脏模型，包括血管系统、腔室之间的瓣膜等结构。而且，分辨率最高达到 20 微米，大大超过原有技术 100~500 微米的分辨率。

研究人员还设计了一个使用两种生物墨水打印的左心室模型，由胶原蛋白打印出内壁和外壁，中间是人类胚胎干细胞来源的心肌细胞。正如他们的预期，在打印并培养 4 周后，这一 3D 人造组织不仅保持了完整的结构，并且产生了人类心脏应有的自发搏动功能！

▲用胶原蛋白和细胞两种生物墨水打印出人工心室（图片来源：参考资料 [1]）

Feinberg 教授总结说：“我们的研究结果表明，我们能用细胞和胶原蛋白打印出心脏的零件，把它们做成真正具有功能的部件，比如心脏瓣膜或跳动的心室。”

有了这样一种技术，不仅可以用胶原蛋白打印大尺寸的人体器官，研究人员认为，像纤维蛋白、透明质酸、藻酸盐等各种软性生物材料，都可以作为生物墨水用于 3D 打印。“FRESH 技术为组织工程提供了一个适应性强大的平台。” 研究人员介绍。

为了让更多人可以使用这种 3D 打印技术，研究人员还将硬件平台的设计 “开源”，免费分享。他们希望，不光是实验室的科研人员，甚至中学科技小组的学生们，也可以构建并获得低成本、高性能的 3D 生物打印机。

当然，研究者也提到，要打印符合成人尺寸的人造器官还有诸多挑战，比如大型组织需要数十亿的细胞。但是无疑，我们正在见证奇迹的实现过程。这项 FRESH 技术与开头提到的迷你人工肺打印技术，“正在让按需打印器官更接近现实”。