赋予新生—为生命带来新的可能
经得起时间考验的儿科心脏瓣膜生物打印技术
心脏瓣膜病是一个重要的全球健康问题，影响着数百万人，并导致大量心血管相关死亡。传统的机械替代品虽然可以挽救生命，但也带来了一些挑战，尤其是随着时间的推移。大多数机械瓣膜不能随着患者的身体生长或适应，因此需要进行多次侵入性手术。这不仅会带来固有的风险，还会严重影响患者的生活质量。血栓、钙化和严重炎症等问题使情况更加复杂。在儿科病例中，这些挑战变得更加关键。尽管传统的解决方案仍然可以挽救生命，但可能会将预期寿命缩短50%。
Savoji教授、以及他实验室的博士生Arman Jafari，与蒙特利尔大学的一个专门团队合作，利用生物打印技术以及他们的 BIO X6 来应对这些挑战，并开发了一种生物打印心脏瓣膜置换术的方法。
Savoji实验室的创新方法
意识到生物打印的潜力，Savoji实验室启动了一项任务，旨在开发一种无需支撑浴即可实现高保真打印的材料。通过消除对支撑浴的需求，他们避免了与这种支撑材料的逐批变化相关的挑战，并简化了生物制造过程。这种材料的另一个要求是赋予心脏瓣膜所需的机械性能，即能够承受血流负荷并始终如一地恢复其原始形状。
Savoji实验室的突破性解决方案涉及一种由聚乙烯醇（PVA）、明胶（gelatin）和K-卡拉胶（kappa-carrageenan）组成的材料。这种组合提供了一种独特的混合特性，使其适合于生物打印心脏瓣膜。值得注意的是，该材料可以在印刷前循环冷冻和解冻，以使其具有支持复杂印刷的特性，同时赋予细胞粘附和增殖所需的微结构，确保构建体在时间上的稳定性和功能性。
为了完善他们的生物墨水配方，Savoji实验室进行了广泛的测试，涉及材料特性的扫描，如流变特性、微观结构、机械特性以及溶胀和降解等。借助 BIO X6，他们拥有一个具备所需分辨率和温度能力的开源系统来进行这些实验。
图1：配方油墨和水凝胶的可印刷性窗口、流变特性和物理化学特性。a）可打印性窗口图显示了所有配方油墨在25°C、20°C和10°C下的可打印性。b）测量油墨屈服应力的应力扫描测试：i）P5/G2.5/C2，ii）P5/G2.5/C2.5，iii）P10/G2.5/C2，以及iv）P10/G2.5/C2.5。c）油墨在一定剪切速率范围内的粘度测量显示剪切变稀行为。d）时间扫描测试显示储能模量随剪切应变变化的恢复行为。e）裸聚合物和P10/G2.5/C2.5复合物的FTIR光谱显示了每种聚合物的主要官能团以及复合物中所有这些官能团的存在。f）DSC和g）TGA呈现了复合材料的热行为。h）XRD用于探索聚合物的结晶度，表明在复合材料中，PVA仍然能够形成结晶链段。
引用：Adv Funct Materials，首次出版：2023年10月10日，DOI：（10.1002/adfm.202305188）
验证生物墨水的生物相容性
在确定了PVA、凝胶和CG的理想组成后，它们能够提供高印刷性、限制溶胀，也许最重要的是，具有接近体内心脏组织的杨氏模量，从而能够确定生物相容性。这是通过许多基于细胞的研究完成的，包括细胞毒性、血液相容性，以及最后在皮下植入小鼠后的体内表现。
经过3个月的体内实验，研究小组得出结论，这种新型生物墨水在小鼠中没有引起阴性炎症反应，所有9只小鼠都存活了下来。随后的组织学评估表明，这些支架促进了胶原蛋白的发育，在4周后增加了25%。研究小组还观察到，12周后，天然组织开始与外植体融合，这意味着宿主组织接受了它。然而，也许最重要的是，取回的组织没有显示出钙沉积的迹象，这意味着它们避免了钙化，这是商用心脏瓣膜面临的最重要问题之一。
探索逼真的3D打印心脏瓣膜的可行性
随着对材料特性的研究和生物相容性的验证，该团队将焦点转向了打印逼真的心脏瓣膜的可行性，这种瓣膜能够应对心血管系统等复杂器官系统的需求。
通过mCT扫描，Savoji教授和他的团队能够创建与生理相关的3D模型，这些模型可以轻松加载到 BIO X6上，用于材料的最终测试。由于生物打印机具有高分辨率和固有的材料特性，该团队能够按比例打印心脏瓣膜模型，而无需支撑浴，同时保持与先前发布的FRESH打印模型一致的性能。为了进一步突破他们研究的界限，该团队将这些生物打印的瓣膜连接到脉冲复制系统上，该系统产生类似心跳的波。生物打印瓣膜在体内的反应如预期，瓣叶能够打开和关闭。
Savoji实验室的研究，在 BIO X6 生物打印机的推动下，代表着在寻求更有效和可持续的心脏瓣膜置换术方面的重大飞跃。开发的创新材料解决了传统机械解决方案的缺点，有望提供个性化、集成化和可生长的心脏瓣膜。随着生物打印技术的不断进步，它不仅有可能彻底改变心脏护理，还有可能改变再生医学和个性化医疗的更广阔前景。
进一步阅读：
完整论文已发表在著名的《高级功能材料》杂志上
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