研究人员利用3D打印技术成功从干细胞培育出心脏细胞

所有的人类都是从单个细胞开始，经过分裂最终形成胚胎。根据邻近细胞发出的信号，这些分裂的细胞会发展或分化成特定的组织或器官。在再生医学中，在实验室中控制干细胞的分化是至关重要的，因为干细胞可以分化为体外器官的生长，并替代受损的成年细胞，特别是那些复制能力非常有限的细胞，如大脑或心脏。

科学家在分化干细胞时采用的一种常见方法是使用化学刺激物。虽然这种方法在制造单一类型的细胞方面非常有效，但它缺乏复制生物体复杂性的能力，在生物体中，多种细胞共存并协作形成一个器官。

另外，受细胞发育自然过程的启发，另一种方法是将干细胞包装成小细胞聚集物，或称为胚状体的球体。与真正的胚胎相似，胚体中细胞与细胞的相互作用是分化的主要驱动因素。从这些胚状体的产生过程中，我们发现胚状体的细胞数量、大小和球形等参数会影响产生的细胞类型。

然而，由于科学家们无法控制这些参数，他们不得不费力地生产大量的胚状体，并选择具有合适特性的特定胚状体进行研究。

为了应对这一挑战，新加坡科技与设计大学(SUTD)的研究人员转向增材制造来控制胚胎体中的干细胞分化。他们的研究发表在《生物打印》杂志上。

博士生鲁比姆卡·达斯(Rupambika Das)和助理教授哈维尔·G·费尔南德斯(Javier G. Fernandez)采用了多学科的方法，结合了3D打印和生命科学的研究领域，3D打印了几个具有精细调整几何形状的微型物理设备。他们使用该设备展示了前所未有的精确度，通过形成胚状体定向分化干细胞。在研究中，他们成功地调节了增强心肌细胞生成的参数，心肌细胞是在心脏中发现的。

“增材制造领域正在以无与伦比的速度发展。我们看到的精确度、速度和成本水平在几年前都是不可想象的。我们所证明的是，3D打印现在已经达到了几何精度，可以控制干细胞分化的结果。在这样做的同时，我们正在推动再生医学在增材制造业加速发展的同时进一步向前发展。

“3D打印技术在生物学领域的应用主要集中在打印人工组织上，即使用带有细胞的细胞来‘一块一块’构建人工器官。现在，我们已经证明了3D打印技术在仿生方法上的应用潜力，我们可以控制细胞在实验室里的生长，就像它们在体内生长一样。”

2015年，来自清华大学和美国费城德雷塞尔大学的研究人员使用基于挤压的3D打印技术制造了一个网格状的3D结构来生长胚状体，该胚状体显示了细胞活力和7天的快速自我更新，同时保持了高多能性。

“打印这些细胞的另外两种常用方法要么是二维的(在有盖培养皿中)，要么是‘悬浮’法(在重力作用下，物质被扔下，形成一个‘石笋’状的细胞)。”研究人员表示，“然而，这些并没有显示出相同的细胞均匀性和同质性增殖。”

“我认为我们已经创造了一个三维微环境，更像在体内发现的培养胚状体的环境，这解释了更高水平的细胞增殖。” 研究人员希望这项技术能够高通量生产胚状体，为其他研究人员进行组织再生实验和/或药物筛选研究提供基础基础。

2019年4月，以色列研究人员用人类细胞制作了一枚完整的3D打印心脏，为世界首例。虽然这颗心脏不会跳动，而且太小不能用于人类——它只有兔子的心脏大小。但这个小器官被认为是正在努力寻找治疗心脏病的新方法的一大进步。

2020年7月，明尼苏达大学的研究人员开发了一种新型生物墨水，使他们能够创建一个功能性的3D打印的跳动的人类心脏。