行业观点：生物3D打印及其对心力衰竭治疗的潜在影响

时间：2020-03-25 09:07 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

       中国3D打印网3月25日讯，Ravi K. Birla和Stuart K. Williams在最近发表的“行业观点：生物3D打印及其对心力衰竭治疗的潜在影响”中探讨了心脏医学中组织工程学的潜力以及最终组装的生物打印心脏。
        虽然心力衰竭通常需要进行移植，但要找到合适的供体可能具有挑战性。移植一旦完成，就需要永久性的免疫抑制疗法，这对患者来说是艰巨的任务，因此还有很长的路要走。患者的通常生存率通常在13年以下。这组作者说：“目前，在美国，有超过620万心力衰竭患者，而心力衰竭在2016年的死亡率为78,356人。”在这项研究中，研究人员回顾了生物打印对创建心脏组织的挑战，以及“对人类心脏进行生物打印的逻辑和系统过程”。
        尽管医学界在不断进步，工具、治疗方法和设备，尤其是对于心脏病患者，但对于最终制造器官而言，没有什么技术比组织工程技术更有希望了。由于具有产生由“生物和人工构造”组成的生物预制心脏的潜力，可以通过模块化部件轻松实现整个心脏的出现。
       组织工程的定义-组织工程的基础是细胞，生物材料和生物反应器。细胞是所有组织和器官的功能元素，而生物材料旨在模拟哺乳动物的细胞外基质并提供结构支持。生物反应器是为3D组织/器官发育和成熟提供生理线索的定制设备。电刺激由平行电极传递，而单轴拉伸（如单箭头所示）设计为应用生物工程组织的循环运动。

心脏组织工程包括：
.3D打印的心脏贴片
.生物泵
.心室
.阀门
.血管
全面的生物人工心脏
这组作者解释说：“对心脏或整个生物人工心脏进行生物工程改造的能力，都在改变心脏疾病患者的护理标准方面得到了应用。取决于患者的严重程度，心脏补丁可能足以增强失去的收缩功能，而在慢性心力衰竭的情况下，可能需要总的生物人工心脏。除了细胞的空间调节外，生物打印还可以精确放置生物材料。这就是3D生物打印提供强大功能的地方，它使我们能够以非常特定的模式准确定位不同的细胞类型，从而可以严格控制心脏生物工程过程。”

心脏组织工程概述-心脏组织工程领域包括生物工程收缩3D心肌，生物脉动泵，生物工程左心室，生物人工瓣膜和血管移植物以及生物人工心脏的方法。收缩性3D心肌旨在复制哺乳动物心肌组织的特性，并且可以用作斑块以增加心肌梗塞后左心室的压力。脉动泵旨在产生腔内压力，可用作生物泵。左心室可作为心脏的组成部分，或在发育不良的左心综合征的儿科病例中代替表现不佳的心室。瓣膜和血管移植物可用于替代哺乳动物的瓣膜和血管，或用作生物工程心脏的组成部分。

人类心脏的主要组成部分-人类心脏由四个腔室，四个瓣膜，心脏传导系统，收缩性心肌细胞和复杂的脉管系统组成。四个腔室分别是左，右心室和主动脉，而四个瓣膜是主动脉瓣和二尖瓣以及肺和三尖瓣。心脏传导系统由SAN，AVN，His束和Purkinje纤维组成。心脏血管系统由较大的血管和较小的微循环组成。心肌细胞是负责心肌收缩的细胞。
到目前为止，大多数涉及对心脏组织进行生物打印的研究都表明了“对心脏进行生物打印的初步可行性。随着当今可用的研究和工具数量的增加，这种进展是不可避免的。"

这组作者说：“基于目前整个心脏生物工程技术的最新水平，我们可以肯定地说，尽管我们不能为实现这一命运指定具体的时间框架，但可以将人类心脏用于临床移植。”人类心脏的生物打印始于2003年组织工程的最初历史，然后在几年后进一步研究。

       3D生物打印过程-将分离的细胞悬浮在定制的生物墨水中，然后装入注射器中。对心脏进行生物打印所需的细胞的例子包括收缩性心肌细胞，传导起搏器和浦肯野细胞，结构性成纤维细胞和血管平滑肌细胞以及内皮细胞。气动压力用于通过打印头挤出装有细胞的生物墨水，而逐层方法用于构建组织和/或器官。

3D生物打印人类心脏的科学突破。
     在生物打印和随后的心脏组织制造中，成功的发展一直持续迅速，这使科学家们在这种锻炼中实现的幻想更少，而更多的是现实。对人的心脏进行生物打印的过程-患者的MRI图像用于对心脏进行建模。从患者皮肤活检组织中分离出皮肤成纤维细胞，并将其转化为iPS细胞，然后转化为心肌细胞。心肌细胞与生物墨水结合在一起，用于对患者特定的人心脏进行生物打印。生物印迹心脏在生物反应器中进行调节，并用于移植。
对心脏进行生物打印的路线图包括：
.微循环的3D打印
.冠状大血管结构的构建
.心脏传导系统的3D生物打印
.心脏瓣膜的3D生物打印
.心肌的3D生物打印
        研究人员总结说：“该领域需要克服的最重要的挑战，通常是干扰心脏干细胞治疗领域的挑战，是重新编程的心肌细胞的不成熟。 iPS细胞向心肌细胞的转化现在是标准且可重现的，分化的细胞类似于胚胎表型，将这些细胞驱动为成年表型仍然是心脏干细胞治疗领域的关键挑战。一旦由独立研究实验室复制，再加上可用于机电刺激的商业生物反应器，成熟心肌细胞的可利用性将为3D生物打印人心脏的临床移植提供一条清晰的途径。”

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