中科院科學(xué)家在改良的生物打印機(jī)上3D打印出正在跳動(dòng)的心臟

導(dǎo)讀：生物3D打印（3D Bioprinting）技術(shù)利用3D打印機(jī)將含有細(xì)胞和生物材料的生物墨水（Bioink）打印出特定的形狀結(jié)構(gòu)，是最有希望實(shí)現(xiàn)在體外制造人類(lèi)器官的新興技術(shù)之一。然而，目前的生物3D打印機(jī)技術(shù)還無(wú)法制造具有生理功能且能夠長(zhǎng)期存活的復(fù)雜器官，其主要原因是現(xiàn)有的生物3D打印機(jī)只能在水平和豎直方向上“逐層累加”地打印細(xì)胞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和血管網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合，從而導(dǎo)致打印后的細(xì)胞缺少營(yíng)養(yǎng)供給而難以長(zhǎng)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(shù)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(shí)間內(nèi)固定細(xì)胞，但會(huì)顯著影響細(xì)胞存活和功能。 　

南極熊獲悉，為解決上述問(wèn)題，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所王秀杰團(tuán)隊(duì)與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授王昌凌（Charlie C.L. Wang）團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)教授劉永進(jìn)團(tuán)隊(duì)合作，創(chuàng)造性地將六軸機(jī)器人改造成為生物3D打印機(jī)（六軸機(jī)器人生物打印機(jī)）。

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

研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一種可重復(fù)打印的生物打印方法，可以生成含有血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜組織或器官，且具備長(zhǎng)期生存能力和關(guān)鍵功能。

中科院研究人員的新型生物打印平臺(tái)。圖片來(lái)自生物活性材料。

3D生物打印組織

近10年來(lái)，3D生物打印技術(shù)在開(kāi)發(fā)可行的病人特定組織方面取得了重大進(jìn)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)在正確的方向上取得了顯著的成績(jī)。例如，3D打印機(jī)制造商3D Systems公司在收購(gòu)了生物打印技術(shù)開(kāi)發(fā)商Volumetric biotechnologies公司后，正在擴(kuò)大其生物打印項(xiàng)目，而生物打印初創(chuàng)公司Brinter正在尋求通過(guò)其新的入門(mén)級(jí)3D打印機(jī)Brinter Core來(lái)打開(kāi)生物打印的可及性。在其他地方，再生醫(yī)學(xué)公司CTIBIOTECH已經(jīng)發(fā)布了一個(gè)新的3D生物打印平臺(tái)，為結(jié)腸癌患者提供個(gè)性化的藥物。

生物打印領(lǐng)域在專(zhuān)利技術(shù)方面的也不斷有著新的突破，BICO最近獲得了兩項(xiàng)新的3D打印熱敏生物技術(shù)的專(zhuān)利，再生醫(yī)學(xué)公司Matricelf獲得了特拉維夫大學(xué)正在申請(qǐng)專(zhuān)利的3D生物打印技術(shù)，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(xiàng)新的3D生物打印技術(shù)的許可，該技術(shù)可以制造出功能性的人類(lèi)腎臟組織。

最近，在再生醫(yī)學(xué)上出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)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(xì)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(jī)器人生物打印機(jī)不會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損害，并支持多維細(xì)胞打印。圖片來(lái)自Bioactive Materials。

新型生物打印平臺(tái)

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(guò)程中血管網(wǎng)絡(luò)整合的挑戰(zhàn)。目前的大多數(shù)技術(shù)依賴(lài)于通過(guò)向生物墨水中添加人工生物材料來(lái)固定打印的細(xì)胞，這可能會(huì)抑制細(xì)胞功能和新血管的形成，這反過(guò)來(lái)又降低了打印結(jié)構(gòu)的生物功能及其長(zhǎng)期生存能力。

該團(tuán)隊(duì)首先將一個(gè)六軸機(jī)械臂改裝為3D生物打印機(jī)，以實(shí)現(xiàn)從各個(gè)方向打印細(xì)胞。為了避免生物材料的凝固，研究人員還設(shè)計(jì)了一個(gè)基于油浴的細(xì)胞打印系統(tǒng)，通過(guò)疏水性，或排斥水的過(guò)程，將打印的細(xì)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(xì)胞活性，同時(shí)也能促進(jìn)細(xì)胞間接觸的形成。

隨后，團(tuán)隊(duì)利人員用改裝的生物打印機(jī)和油浴設(shè)計(jì)了一種可重復(fù)打印和可進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)的生物打印策略，其靈感來(lái)自于自然器官的發(fā)育過(guò)程。他們將單層和多層細(xì)胞打印到血管支架上，并在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，以誘導(dǎo)細(xì)胞間接觸的形成和新血管的生長(zhǎng)。然后，對(duì)支架和已經(jīng)打印的細(xì)胞進(jìn)行新一輪的生物打印。

3D打印的人造血管能夠進(jìn)行血管生成和脈管生成。圖片來(lái)自生物活性材料。

生物打印一個(gè)跳動(dòng)的心臟

研究人員認(rèn)為，從理論上講，他們的打印和培養(yǎng)過(guò)程可以制造出功能復(fù)雜的組織，甚至是完整的器官，這些組織與血管網(wǎng)絡(luò)相連，能夠長(zhǎng)期存活。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(dòng)，并被認(rèn)定為可以存活至少六個(gè)月。然后，他們建立了一個(gè)雙機(jī)器人平臺(tái)，以便在復(fù)雜形狀的血管支架上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)型細(xì)胞的生物打印。

展望未來(lái)，研究人員認(rèn)為他們的新型生物打印平臺(tái)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(gè)潛在的新策略。

關(guān)于這項(xiàng)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(xiàng)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(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22000743?via%3Dihub