中科院科學家在改良的生物打印機上3D打印出正在跳動的心臟

導讀：生物3D打�。�3D Bioprinting）技術利用3D打印機將含有細胞和生物材料的生物墨水（Bioink）打印出特定的形狀結構，是最有希望實現(xiàn)在體外制造人類器官的新興技術之一。然而，目前的生物3D打印機技術還無法制造具有生理功能且能夠長期存活的復雜器官，其主要原因是現(xiàn)有的生物3D打印機只能在水平和豎直方向上“逐層累加”地打印細胞，無法實現(xiàn)細胞和血管網(wǎng)絡的有機融合，從而導致打印后的細胞缺少營養(yǎng)供給而難以長期存活。此外，為使逐層打印的生物墨水能夠快速固定成型，現(xiàn)有生物3D打印技術均需在生物墨水中添加可固化的生物材料，這些材料雖然可以在短時間內(nèi)固定細胞，但會顯著影響細胞存活和功能。 　

南極熊獲悉，為解決上述問題，來自中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所王秀杰團隊與英國曼徹斯特大學教授王昌凌（Charlie C.L. Wang）團隊、清華大學教授劉永進團隊合作，創(chuàng)造性地將六軸機器人改造成為生物3D打印機（六軸機器人生物打印機）。

利用改造后的生物打印機，研究人員能夠制造出一個復雜形狀的血管支架，而不會造成細胞損傷或阻止細胞生長和功能，這是目前生物打印方法的常見挑戰(zhàn)。通過3D生物打印的血管化心臟組織可以在6個月內(nèi)保持活力和跳動，表明它有望成為未來生物打印功能組織和器官的一種可行方法。

研究團隊還設計了一種可重復打印的生物打印方法，可以生成含有血管網(wǎng)絡的復雜組織或器官，且具備長期生存能力和關鍵功能。

中科院研究人員的新型生物打印平臺。圖片來自生物活性材料。

3D生物打印組織

近10年來，3D生物打印技術在開發(fā)可行的病人特定組織方面取得了重大進展。雖然距離完全打印的器官仍有一定的距離，但一些生物打印公司和研究團隊已經(jīng)在正確的方向上取得了顯著的成績。例如，3D打印機制造商3D Systems公司在收購了生物打印技術開發(fā)商Volumetric biotechnologies公司后，正在擴大其生物打印項目，而生物打印初創(chuàng)公司Brinter正在尋求通過其新的入門級3D打印機Brinter Core來打開生物打印的可及性。在其他地方，再生醫(yī)學公司CTIBIOTECH已經(jīng)發(fā)布了一個新的3D生物打印平臺，為結腸癌患者提供個性化的藥物。

生物打印領域在專利技術方面的也不斷有著新的突破，BICO最近獲得了兩項新的3D打印熱敏生物技術的專利，再生醫(yī)學公司Matricelf獲得了特拉維夫大學正在申請專利的3D生物打印技術，用于器官和組織植入。最近，生物工程初創(chuàng)公司TrestleBiotherapeutics獲得了一項新的3D生物打印技術的許可，該技術可以制造出功能性的人類腎臟組織。

最近，在再生醫(yī)學上出現(xiàn)了專門用于生物打印血管的新生物墨水，成功地3D打印出活體腦細胞，以及能夠制造功能性生物打印肝臟的新容積式3D打印工藝。

六軸機器人生物打印機不會對細胞造成損害，并支持多維細胞打印。圖片來自Bioactive Materials。

新型生物打印平臺

在他們的最新研究中，中科院的研究人員試圖克服目前在生物打印過程中血管網(wǎng)絡整合的挑戰(zhàn)。目前的大多數(shù)技術依賴于通過向生物墨水中添加人工生物材料來固定打印的細胞，這可能會抑制細胞功能和新血管的形成，這反過來又降低了打印結構的生物功能及其長期生存能力。

該團隊首先將一個六軸機械臂改裝為3D生物打印機，以實現(xiàn)從各個方向打印細胞。為了避免生物材料的凝固，研究人員還設計了一個基于油浴的細胞打印系統(tǒng)，通過疏水性，或排斥水的過程，將打印的細胞轉(zhuǎn)化為血管支架。這意味著血管支架能更好地保持其細胞活性，同時也能促進細胞間接觸的形成。

隨后，團隊利人員用改裝的生物打印機和油浴設計了一種可重復打印和可進行細胞培養(yǎng)的生物打印策略，其靈感來自于自然器官的發(fā)育過程。他們將單層和多層細胞打印到血管支架上，并在一定時間內(nèi)進行培養(yǎng)，以誘導細胞間接觸的形成和新血管的生長。然后，對支架和已經(jīng)打印的細胞進行新一輪的生物打印。

3D打印的人造血管能夠進行血管生成和脈管生成。圖片來自生物活性材料。

生物打印一個跳動的心臟

研究人員認為，從理論上講，他們的打印和培養(yǎng)過程可以制造出功能復雜的組織，甚至是完整的器官，這些組織與血管網(wǎng)絡相連，能夠長期存活。

研究團隊通過3D打印一塊血管化的心臟組織證明了他們的想法，該組織保持了有節(jié)奏的跳動，并被認定為可以存活至少六個月。然后，他們建立了一個雙機器人平臺，以便在復雜形狀的血管支架上同時實現(xiàn)多種類型細胞的生物打印。

展望未來，研究人員認為他們的新型生物打印平臺突破了傳統(tǒng)生物3D打印的平層局限，為在體外環(huán)境中制造大規(guī)模和功能性人工組織和器官提供了一個潛在的新策略。

關于這項研究的更多信息可以在《生物活性材料》雜志上發(fā)表的題為："Amulti-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell functionpreservation and cardiac tissue fabrication"的論文中找到。這項研究的共同作者是Zhang, C. Wu, C. Dai, Q. Shi, G. Fang, D. Xie, X. Zhao, Y. Liu, C.Wang, 和X. Wang。

相關論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22000743?via%3Dihub