在近期的一項新研究中，科學家利用一項新的技術對心臟進行掃描，然後在凝膠中重建了心臟結構。這一過程有點像製作果凍，但在醫學上有著非常重要的意義。在HBO的科幻劇《西部世界》中，3D打印機已經可以大量生產出人形機器人，並精細地組裝成複雜得令人難以置信的人類形態。

這種以海藻酸鹽為原料的3D打印心臟有著和真實心臟一樣的手感這些機器人可以做出和人類幾乎一樣的行為。當然，實現這些需要大量的生物力學工作，以確保身體各部位的協調。這項新研究是一個里程碑時刻，標誌著兩年來該領域研究的高潮，為外科醫生和臨床醫生帶來了即時的希望，也為生物工程器官研究的未來帶來了長期的影響。人類朝著製造出活組織人工器官又邁進了一步。

近日，在《ACS生物材料科學與工程》（ACS Biomaterials Science & Engineering）雜誌上，一個研究團隊描述了他們如何利用低成本的3D打印機和磁共振掃描數據，製作出人類心臟的可變形全尺寸模擬物。換言之，你可以把它拿在手裡，捏一下，會有非常真實的質感；切開它，你能找到心房和心室。這種人工心臟的出現，將有助於外科醫生在手術前更好地練習心臟手術，也可能最終導致全功能3D打印心臟的出現，並為醫療設備開發商提供一個前所未有的平台，用來測試他們的產品。

從核磁共振掃描到海藻酸鹽3D打印心臟的變化過程，可以看到完好的內部結構

研究人員將他們的技術稱為“自由式可逆嵌入懸浮水凝膠”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels，簡稱FRESH）。首先，他們對一顆真正的心臟進行掃描，然後將數據轉換成3D打印機可以讀取的格式。由於3D打印機的工作原理是一層一層地疊加材料，因此他們通過一個切片器程序來運行3D圖像。論文作者之一、美國卡內基梅隆大學的生物醫學工程師亞當·范伯格（Adam Feinberg）說：“對於每一層，程序基本上定義了材料將被擠壓的路徑，然後將這些路徑輸入3D打印機。”

這台3D打印機利用海藻酸鹽作為打印材料，這是一種從海藻中提取的黏糊糊的物質。研究人員之所以選擇海藻酸鹽，是因為其成本較低，而且與人類心臟組織的材料特性相似。不過，這台打印機並沒有像普通的3D打印機那樣將成品擠壓到空氣中，而是將人工心臟擠壓到一個裝有支撐凝膠（主要是明膠）的容器中。

3D打印出來的心臟冠狀動脈部分，右邊為充滿假血的狀態

“打個比方，想像你是在髮膠的內部打印，”范伯格說道。你可以回想一下懸浮在凝膠瓶中的小氣泡——這些膠狀物質提供了足夠的支撐，使它們無限期地漂浮，或者至少保持到你把凝膠擠出瓶子之前。對於FRESH，明膠提供了足夠的空間讓3D打印機的針滑過。范伯格說：“無論擠壓出什麼東西，它都會固定在某個地方，就像髮膠裡的那些氣泡。”

在心臟器官打印完成後，研究人員需要一種方法來溶解其周圍的凝膠格架，他們使用了一種很常見的方法。“我想很多人都有過在烘焙或製作果凍時使用明膠的經歷，”范伯格說，“當你加熱明膠時，它實際上是一種液體，但當你冷卻它時，它又變成了固體凝膠。我們利用了這一點。”當打印完畢，準備提取人工心臟時，范伯格所要做的就是將浴液升高到體溫，融化支撐凝膠，只留下3D打印結構。

亞當·范伯格及其團隊開發的3D生物打印心臟模型

在以往的醫療實踐中，已經有外科醫生在計劃手術前使用基於病人自身器官掃描的3D打印心臟。但這些人工心臟都是用舊的方法，由硬塑料製成。相比之下，這種新型海藻酸鹽心臟具有與真實組織相似的彈性。“當你擠壓它時，它會發生同樣程度的形變，這顯然比硬橡膠或塑料的形變大得多，”范伯格說。這也使其成為一種更加真實的工具，可供外科醫生練習縫合等手術操作，這在無法穿透的塑料上是不可能的。

此外，該團隊還使用同樣的技術3D打印了冠狀動脈的一個單獨部分，觀察它是否可以灌注，或者說能否攜帶血液。果然，當研究人員泵入假血時，這個人工動脈並不會漏出液體。范伯格表示，這是很重要的一步，我們越來越接近開發出血管相互連接的人工心臟。利用這種心臟，外科醫生就可以在有血液流動的情況下練習縫合動脈。

此外，研究團隊還希望最終能將打印出來的心臟“細胞化”，或是將人類心臟肌肉細胞添加到這個結構中，讓它像真實的心臟一樣跳動。科學家已經在實驗室中培育幹細胞，並使其分化為心臟細胞。問題是，至少在目前，他們一次只能製造約1億個細胞，但一個正常大小的心臟需要約1000億個細胞。不過，范伯格指出：“一旦這個問題解決，就可以用上我們現在所使用的這種製造技術了。”

當打印​​完畢，準備提取人工心臟時，范伯格所要做的就是將浴液升高到體溫，融化支撐凝膠，只留下3D打印結構

那麼，什麼時候才能獲得可操作的3D生物打印器官呢？“答案是10年以上，”范伯格說，“在實現這一目標之前，我們還有很多事情要做。”畢竟，心臟是一個非常複雜、充滿血管的器官，他們需要將動脈的工作擴展至整個心臟；而如果想要讓人工心臟真正像人體器官一樣工作，還需要實驗室細胞生產技術的進步。

與此同時，這些3D打印心臟的早期產品已經可以幫助外科醫生更好地為手術做準備。“他們實際上擁有了更高的觸覺保真度，這一點是非常重要的，”心臟重症監護醫生莉莉安·蘇（Lillian Su）說道。她曾將3D打印作為一種培訓工具進行研究，但沒有參與這項工作。外科醫生甚至可以使用一顆定制的3D打印心臟來與病人及其家人溝通，向他們解釋手術將如何進行。“我認為這種材質是真正新奇的部分，”莉莉安·蘇補充道，“我認為家屬們會要求了解外科醫生對於一個特定病例的計劃，這將是同意過程的一部分。”

在未來，醫院或許將以更低廉的價格提供這種技術，因為一顆海藻酸鹽心臟的材料成本可能只需10美元。范伯格和他的同事們還希望能用不同的材料進行實驗，比如用膠原蛋白打印的心臟可能會更加逼真，因為膠原蛋白本身就是構成結締組織的蛋白質，是人體結構的組成部分。事實上，就乾重而言，我們身體裡的膠原蛋白比其他任何東西都多。但問題是，膠原蛋白要貴得多——同樣的活組織打印心臟需要花費2000美元。

當然，在復雜的心臟手術計劃中，2000美元只是最低的投資。“實際上，我們認為，在許多應用中，膠原蛋白的真實感可能是值得的，”范伯格說，“但當你在實驗室做研究時，特別是如果你在開發這項技術時會犯很多錯誤的話，我們首先還是會關注海藻酸鹽。”

范伯格的近期目標是與外科醫生和臨床醫生合作，對他們的技術進行微調，確保能在醫院環境下使用。“我們現在可以建立一個模型，不僅可以進行視覺規劃，還可以進行物理實踐，”他說，“外科醫生可以操縱它，使它像真實組織一樣產生反應。這樣，當他們進入手術部位時，已經事先有了一次額外的實際操作。”

該研究的主要作者埃曼·米爾達瑪蒂（Eman Mirdamadi）補充道：“儘管在生物打印全尺寸功能性人類心臟方面仍然存在重大障礙，但我們很自豪能夠利用這一新的平台為該領域奠定基礎，同時展示其在現實中外科手術模擬方面的即時應用。”