“芯片上的心脏”，仿生组织模型重建组织的最新进展

JACKIE RICCIARDI/BOSTON UNIVERSITY

为了解决人类心脏的仿生组织模型重建组织，更好的研究心血管领域，科学家们已经开发了一种微型心脏室复制品 —— 即由真正的心脏细胞驱动的微小机械“心脏”。该设备名为微型化精密单向微流控泵（Miniphup），此设备是由一个使用精密3D打印构建的中空、微观、圆柱形支架组成。而这种支架构成了心脏组织的框架，心脏组织由来自人类干细胞的心肌细胞构成。

波士顿大学生物医学研究员、该研究的主要作者christos Michas说，就像真正的心脏一样，组织会自发地跳动。该设备浸没在含有葡萄糖和细胞生存所需的其他营养素的细胞培养基中。他说：“通过电模拟（它）可以使组织跳动，你只需组装它，它就可以做自己的事情。”

Michas解释说，微型泵的新奇之处在于将纳米制造和组织工程以一种以前从未考虑过的方式结合起来。他说：“通过纳米工程部件，我们能够复制心脏的不同方面，特别是收缩然后回弹的腔室，以及调节血液流动的瓣膜。因此，他们能够模拟心脏功能的某些方面，如压力和泵送液体的体积，这在研究文献中尚未出现。通过这样做，我们可以获得更多的心脏性能指标，因此我们可以拥有更好的心脏模型。”

波士顿大学机械工程系主任Alice White表示，除了便于缩小器官模型进行研究外，该设备的小型化还有其他优势。首先，它不使用大量的干细胞，而干细胞也十分珍贵。“这也意味着我们可以在一个相对较小的空间内并行地做很多事情，”White说。她补充道，另一大优势是，他们的微型心脏室与正在开发的其他芯片上器官技术兼容。

Michas解释说，所讨论的芯片是一种微流控芯片，内衬有活的人类细胞。该团队使用了一种称为双光子直接激光写入的3D打印技术，其中一种生物相容性液体树脂在与激光接触时固化。他补充道：“材料是什么并不重要，只要它能保持其结构并具有非常精细的特征。”精密制造至关重要，因为许多微型泵组件都比灰尘颗粒小，整个东西甚至都比邮票还小。


JACKIE RICCIARDI/BOSTON UNIVERSITY

复制心脏的泵功能是比较难复制的一个功能。对于此点，Michas说：“首先，你需要一个类似气球的心腔，这样它才能容纳液体。以3D格式在如此小的规模上[排列]组织是非常具有挑战性的，因为组织本身会塌陷成一个球体。”

Michas补充道，第二个方面是液体必须以定向方式流动，就像它在心脏中一样。这意味着我们必须有阀门，但我们需要的阀门对压力极为敏感，以实现这样一个按比例缩小的系统。精细分辨率3D打印再次实现了这一点。

Michas和他的同事们所做的微型心脏在实验室里持续跳动了三周的时间。Michas说：“我们没有进行一项全面的研究来观察治疗对心脏的影响，但经过适当的调整，我很有信心它能够持续数月之久。”

这种长期复制心肌的自然搏动机制，为科学家提供了研究心脏以及测试治疗方法有效性的机会，对人类患者没有风险。除了药物开发和测试，Michas还看到了其他可能性，例如疾病建模。他说：“我们知道，在高血压的情况下，随着时间的推移，心脏会改变它的跳动方式，关乎于它能泵出多少血液，它的速度有多快。因此，如果我们想更好地理解这一点并开发治疗方法，那么我们需要有易于访问的模型来复制它。miniPUMP可以用来实现这一点（通过控制阀门压力）。这是其他系统通常缺乏的额外指标之一。”

Michas说，另一种可能性是开发先进的疗法，如基因疗法。有了这个系统，如果我从你身上提取细胞，我可以看到药物在你身上会有什么反应，因为这些是你的细胞。这个系统更好地复制了心脏的一些功能，但同时它为我们提供了它复制的不同人类细胞的灵活性。事实上，这并不是我们看到的第一个“芯片上的心脏”--在哈佛大学和加州大学伯克利分校等地已经开发了不同设计的模型。人们希望有一天同样的技术可以用来生产其他所谓的 “芯片上的器官”设备，如肺和肾脏。

                               来源：EEWorld