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3D打印的人類(lèi)心臟：質(zhì)感足以亂真

小知識(shí)凝膠研究外科打印機(jī)掃描海藻細(xì)胞科普醫(yī)生范伯格


3D打印的人類(lèi)心臟：質(zhì)感足以亂真



在近期的一項(xiàng)新研究中， 科學(xué)家利用一項(xiàng)新的技術(shù)對(duì)心臟進(jìn)行掃描， 然后在凝膠中重建了心臟結(jié)構(gòu) 。 這一過(guò)程有點(diǎn)像制作果凍， 但在醫(yī)學(xué)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(jī)已經(jīng)可以大量生產(chǎn)出人形機(jī)器人， 并精細(xì)地組裝成復(fù)雜得令人難以置信的人類(lèi)形態(tài) 。 這些機(jī)器人可以做出和人類(lèi)幾乎一樣的行為 。 當(dāng)然， 實(shí)現(xiàn)這些需要大量的生物力學(xué)工作， 以確保身體各部位的協(xié)調(diào) 。 這項(xiàng)新研究是一個(gè)里程碑時(shí)刻， 標(biāo)志著兩年來(lái)該領(lǐng)域研究的高潮， 為外科醫(yī)生和臨床醫(yī)生帶來(lái)了即時(shí)的希望， 也為生物工程器官研究的未來(lái)帶來(lái)了長(zhǎng)期的影響 。 人類(lèi)朝著制造出活組織人工器官又邁進(jìn)了一步 。
近日， 在《ACS生物材料科學(xué)與工程》（ACS Biomaterials Science & Engineering）雜志上， 一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)描述了他們?nèi)绾卫玫统杀镜?D打印機(jī)和磁共振掃描數(shù)據(jù)， 制作出人類(lèi)心臟的可變形全尺寸模擬物 。 換言之， 你可以把它拿在手里， 捏一下， 會(huì)有非常真實(shí)的質(zhì)感；切開(kāi)它， 你能找到心房和心室 。 這種人工心臟的出現(xiàn)， 將有助于外科醫(yī)生在手術(shù)前更好地練習(xí)心臟手術(shù)， 也可能最終導(dǎo)致全功能3D打印心臟的出現(xiàn)， 并為醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)商提供一個(gè)前所未有的平臺(tái)， 用來(lái)測(cè)試他們的產(chǎn)品 。 研究人員將他們的技術(shù)稱(chēng)為“自由式可逆嵌入懸浮水凝膠”（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels， 簡(jiǎn)稱(chēng)FRESH） 。 首先， 他們對(duì)一顆真正的心臟進(jìn)行掃描， 然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)可以讀取的格式 。 由于3D打印機(jī)的工作原理是一層一層地疊加材料， 因此他們通過(guò)一個(gè)切片器程序來(lái)運(yùn)行3D圖像 。 論文作者之一、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師亞當(dāng)·范伯格（Adam Feinberg）說(shuō)：“對(duì)于每一層， 程序基本上定義了材料將被擠壓的路徑， 然后將這些路徑輸入3D打印機(jī) 。 ”
這臺(tái)3D打印機(jī)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(zhì) 。 研究人員之所以選擇海藻酸鹽， 是因?yàn)槠涑杀据^低， 而且與人類(lèi)心臟組織的材料特性相似 。 不過(guò)， 這臺(tái)打印機(jī)并沒(méi)有像普通的3D打印機(jī)那樣將成品擠壓到空氣中， 而是將人工心臟擠壓到一個(gè)裝有支撐凝膠（主要是明膠）的容器中 。
“打個(gè)比方， 想象你是在發(fā)膠的內(nèi)部打印， ”范伯格說(shuō)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(zhì)提供了足夠的支撐， 使它們無(wú)限期地漂浮， 或者至少保持到你把凝膠擠出瓶子之前 。 對(duì)于FRESH， 明膠提供了足夠的空間讓3D打印機(jī)的針滑過(guò) 。 范伯格說(shuō)：“無(wú)論擠壓出什么東西， 它都會(huì)固定在某個(gè)地方， 就像發(fā)膠里的那些氣泡 。 ”
在心臟器官打印完成后， 研究人員需要一種方法來(lái)溶解其周?chē)哪z格架， 他們使用了一種很常見(jiàn)的方法 。 “我想很多人都有過(guò)在烘焙或制作果凍時(shí)使用明膠的經(jīng)歷， ”范伯格說(shuō)， “當(dāng)你加熱明膠時(shí)， 它實(shí)際上是一種液體， 但當(dāng)你冷卻它時(shí)， 它又變成了固體凝膠 。 我們利用了這一點(diǎn) 。 ”當(dāng)打印完畢， 準(zhǔn)備提取人工心臟時(shí)， 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(jié)構(gòu) 。
在以往的醫(yī)療實(shí)踐中， 已經(jīng)有外科醫(yī)生在計(jì)劃手術(shù)前使用基于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， 由硬塑料制成 。 相比之下， 這種新型海藻酸鹽心臟具有與真實(shí)組織相似的彈性 。 “當(dāng)你擠壓它時(shí)， 它會(huì)發(fā)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(shuō) 。 這也使其成為一種更加真實(shí)的工具， 可供外科醫(yī)生練習(xí)縫合等手術(shù)操作， 這在無(wú)法穿透的塑料上是不可能的 。

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