4D生物打印智能构建心脏 | 智能医疗

发布日期:2019-10-19 10:00
马里兰州的研究人员研究新的4D打印技术,以控制干细胞心肌生成。



根据世界卫生组织(World Health Organization)的数据,心血管疾病是全球死亡的主要原因,每年导致近1800万人死亡。近年来,科学家们一直在寻找再生疗法——包括那些使用3d打印组织的疗法——来修复对心脏造成的损伤,恢复心脏功能。

得益于3d打印技术的进步,工程师们已经应用了最前沿的生物打印技术来制造支架和心脏组织,这些支架和心脏组织一旦被植入体内,就能迅速与体内的原生组织融合。虽然3D生物打印可以创建由活细胞构成的3D结构,但最终产品是静态的——它不能生长或随着环境的变化而变化。

相反,在4D生物打印中,时间是第四维度。工程师们运用4D打印技术,利用生物相容性强、反应灵敏的材料或细胞来构建结构,这些材料或细胞能够随着时间的推移和环境的变化而生长甚至改变功能。这项技术可能会改变人类健康的游戏规则,尤其是在儿科领域,随着儿童年龄的增长,4d打印的构建体可能会生长和变化,从而消除了未来用手术来替代无法实现同样功能的组织或支架的需要。



但是,4D生物打印技术仍然很年轻。影响该领域关键挑战之一是缺乏先进的4 d-printable bioinks——材料用于生产工程现场组织使用印刷技术,不仅满足3 d生物打印的需求,但也聪明,动态能力来调节细胞的行为和应对环境的变化无论他们植入人体。

认识到这一点,乔治华盛顿大学(GWU)和马里兰大学A. James Clark工程学院的研究人员正在共同努力,为这一新兴领域带来新的曙光。华盛顿大学机械与航空航天工程学院副教授张丽洁和UMD生物工程学院教授兼主席约翰·费希尔最近从国家科学基金会获得了55万美元的联合资助,用于研究用于心血管研究的智能构建体的4D生物打印。

他们的主要目标是设计新颖的、可重新编程的智能生物墨水,可以创建动态的4d生物打印结构来修复和控制构成心脏和全身泵血的肌肉细胞。他们研究的肌肉细胞——人类诱导多能干细胞(iPSC)衍生的心肌细胞——代表了心血管再生的一种有前途的干细胞来源。在这项研究中,bioinks,他们用来创建的四维结构,被认为是“可编程”,因为他们可以精确控制外部刺激——在这种情况下,受光——合同和伸长命令以同样的方式,本地心肌细胞与每一个心跳。



研究二人将使用长波近红外(NIR)光作为刺激,促使4D生物打印结构发挥作用。与紫外线或可见光不同,长波近红外光可以有效地穿透生物膜结构,而不会对周围细胞造成伤害。




“4D生物打印是生物打印领域的前沿,”张说。“这项合作研究将扩展我们对iPSC心肌细胞在心脏应用的动态微环境中的发展的基本理解。我们期待着未来几年我们的实验室之间的富有成果的合作。”

“我们很高兴能与张博士和她的实验室合作,继续开发用于3D和4D打印的新型生物墨水,”Fisher说。“我们相信,这个合作研究团队将继续揭示尚未开发的打印策略,特别是在干细胞生物学方面。”

下一步,张丽洁和Fisher希望利用4D生物打印技术进一步研究4D结构与心肌细胞行为之间的基本相互作用。

“4D生物打印的概念非常新颖,它为组织工程开辟了一个几乎没有人能想象到的可能性领域,”Fisher说。“虽然科学家和工程师有很多领域需要研究,但4D生物打印组织有一天可能会改变我们治疗小儿心脏病的方式,甚至为替代捐赠器官铺平道路。”

在GWU,张领导着纳米医学和组织工程生物工程实验室。在UMD, Fisher领导了工程复杂组织中心,这是UMD、莱斯大学和维克森林再生医学研究所的联合研究合作项目。费舍尔也是组织工程和生物材料实验室的首席研究员,该实验室隶属于UMD Fischell生物工程系。