Nature Mater：3D打印芯片之“心”

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最近，哈佛大学（Harvard University）研究者用高超的化学技巧和3D打印技术成功构建了人造器官组织，这项技术未来可能用于药物筛选实验，代替包括大鼠、兔子在内的实验动物，或许还可用于人类器官或组织的修复。Kevin Kit Parker和Jennifer A. Lewis领导的团队在Nature Materials发表文章，采用先进的多材料3D打印技术并结合心脏细胞的体外生长制造人造心，并用电子元件监测其跳动。（Instrumented cardiac microphysiological devicesvia multimaterial three-dimensional printing. Nature Mater., 2016, DOI: 10.1038/nmat4782）。

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视频来源：Harvard University

通过3D打印技术，活组织首次和电子传感器相连，有时这种组合又被称为“器官芯片（organ-on-a-chip）”。器官芯片在将来可能会发展的更完善，甚至可作器官移植或修复。不过，当前最现实的应用应该还是药物筛选，用这种芯片代替实验室里的各种动物模型（如大鼠、兔子等），以提高效率，降低成本，同时避免动物伦理问题。

图1. 3D打印的器官芯片拥有很多小室，每个都有器官组织和电子传感器两部分。图片来源：Nature Mater.

3D打印这种人造器官，选择合适的“油墨”是关键，该团队尝试了多种油墨配方。例如，他们将热塑性聚氨酯与碳纳米颗粒混合，使3D打印的产物具有柔性和导电性。再将它们与绝缘的纯聚氨酯分层打印，制造出层状的悬臂结构，使其具备跳水板般的可弯曲度。

最后还要在材料外层打印上一层聚二甲硅氧烷，并带有一些凹槽，以供心脏细胞生长，心脏细胞可来自大鼠或者诱导自人类干细胞。这些细胞会自组装成薄层状的脉动组织。脉动组织的跳动会改变悬臂的弯曲度，进而改变其导电性。如果在油墨中混入银，人造器官就能与外部的电子设备连接，如示波器、电源控制器等。这使器官的机械跳动变成电信号。

图2. 器官芯片的3D打印流程。图片来源：Nature Mater.

研究者用两种已经上市的药物来验证他们的器官芯片确实有用。他们对人造器官施药，并通过电信号报告细胞的反应。异搏定（verapamil）是一种冠状动脉扩张剂，用于治疗高血压，它能降低器官芯片的跳动强度。异丙基肾上腺素（isoproterenol）是一种β受体激动剂，用于支气管哮喘及心脏房室传导阻滞，它能增加器官芯片的跳动强度。

图3. 药物对人造心脏的效果显著。图片来源：Nature Mater.

明尼苏达大学（University of Minnesota）的Michael C. McAlpine认为器官芯片能否应用于药物筛选还有待观察，但这项工作至少证明了3D打印器官芯片的可行性。McAlpine去年发表过一篇文章，同样用3D打印技术构建了平台，观察了病毒对神经细胞的影响（Lab Chip, 2015, DOI: 10.1039/c5lc01270h）。

过去，研究者构建早期的器官芯片非常依赖类似光刻这样的技术，但它们往往并不支持使用活细胞做“原材料”。而此次哈佛团队则证明3D打印技术完全可以制造出生物相容性非常好的器件。

Lewis还说到，他们的技术不光对心脏细胞有效，还能用于构建其他人造器官组织以及其他传感器。

氘评：

将机械力变成电信号好像是高中物理介绍的内容，原理上并不复杂。就如文章作者说的，关键是找到合适的油墨。研究者选用心脏作为模拟对象显然是有很多考量的，例如心脏的脉动是非常明显的活力信号、机械力变为电信号的物理很简单等。而其选用的药物分子也是非常有针对性的脉动促进或抑制药物，效果直观。但文章中尚缺乏详细的人造心脏中细胞健康程度的表征，仅仅靠脉动恐怕很难全面反映人造心脏与真正心脏的功能相似度。

另外，如果想把这一技术拓展到其他器官，首先要思考的是如何把生化指标简易地在体外变成电信号，毕竟能噗噗跳的器官不多。

但不管怎么说，小氘还是很佩服研究者的巧妙构思和精细操作。

1. http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4782.html

2. http://cen.acs.org/articles/94/i43/3-D-printer-builds-heartchip.html

（本文由氘氘斋供稿）