生物3D打印技術利用3D打印機將含有細胞和生物材料的墨水打印齣特定的形狀結構 是最有希望實現在體外製造人類器官的新興技術之一。然而 中科院、清華等提齣“六軸細胞3D打印機”，心肌組織可體外存活超6個月 - 趣味新聞網

生物3D打印技術利用3D打印機將含有細胞和生物材料的墨水打印齣特定的形狀結構，是最有希望實現在體外製造人類器官的新興技術之一。然而，目前的生物3D打印技術尚不能製造具有生理功能並且能夠長期存活的復雜器官，這也是生物3D打印技術發展的一個瓶頸。造成這一問題的主要原因是現有的生物3D打印機均隻能在水平和竪直方嚮上逐層打印細胞，這種逐層纍加的打印方式無法實現細胞和血管網絡的有機融閤，從而導緻打印後的細胞缺少營養供給而難以長時存活。

此外，為使打印後的細胞能夠相互固定在一起，現有的生物3D打印技術均需在細胞中添加可固化的生物材料，這些生物材料的添加雖然可以短期固定細胞，但也會阻礙細胞間形成連接而影響細胞存活。

研究團隊的六軸生物3D打印機

為解決上述問題，中國科學院遺傳與發育生物學研究所的王秀傑研究員團隊與英國曼徹斯特大學王昌淩教授團隊、清華大學劉永進教授團隊聯閤攻關，於近日發錶在生物材料領域頂級期刊《Bioactive Materials》上。該研究提齣瞭一種 基於六軸機器人並且不依賴於生物材料固化的細胞打印新策略 ，從而實現瞭全角度細胞打印和打印後細胞的長期存活。

在該研究中，團隊創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），由於該打印機的每個軸都可以進行360°轉動，所以理論上可以在空間中從任意角度進行細胞打印。

為避免生物固化材料對細胞活性的影響，團隊設計瞭油浴細胞打印體係（Oil-Bath-Based Cell Printing），即在礦物油的疏水作用力下，打印的細胞可以不受重力影響而穩定地貼附在生物支架的任意錶麵，並自發地與生物支架和周邊其他細胞形成緊密連接，從而使得在復雜血管支架上全方位打印細胞成為可能。

六軸生物3D打印機在支架上打印心肌組織

六軸機器人生物打印機通過油浴打印的細胞具有與人工操作相同的存活率（>98%），並且能夠 保持正常的細胞周期和生理功能。

團隊進一步從組織器官發育的角度齣發，模擬發育過程中組織器官體積增大與其內部血管網絡生長相協同的規律，設計瞭循環式「打印-培養」的器官製造方案，即在灌注有細胞培養液或人造血液的血管網絡支架上打印一層或多層細胞後，將血管支架和打印後的細胞共同培養一段時間，使得新打印的細胞間形成細胞連接和毛細血管後，再進行新一輪的細胞打印。重復這一「打印-培養」過程，則可使打印後的細胞間形成類似體內的血管網絡，從而支持打印組織或器官的長期存活。

六軸生物3D打印機的工作過程

機器人平台可以將不同的生物墨水協同打印到復雜形狀的支架上

應用上述方案，團隊利用六軸機器人生物打印機在血管支架上開展瞭血管內皮細胞和心肌細胞的打印實驗，證明瞭循環式「打印-培養」方案能夠在血管支架上製備完整的內皮細胞層，並且在生血管因子的輔助下生長齣新血管和毛細血管網絡；打印的心肌細胞可以在短時間內形成間隙連接（Gap Junction），恢復並長期維持規律性搏動。通過這種循環式「打印-培養」方案協同打印血管內皮細胞和心肌細胞，團隊 製造瞭具有毛細血管網絡、能夠在體外存活並維持搏動超過6個月的心肌組織 。

打印後第十天後，心肌細胞血管化

第 180 天檢測到心肌細胞和內皮細胞

研究團隊進一步發揮六軸機器人生物打印機低成本、高拓展性等特點，構建瞭由兩個六軸機器人組成的協作生物打印平台，實現瞭在復雜血管支架上快速、有序地協同打印多種類型細胞，錶明該體係在製造具有復雜物理結構和多種細胞類型的人類組織器官方麵的優勢。

除該研究之外，心髒組織的3D打印一直在進步，3D打印技術參考一直在進行跟蹤報道。2019年，以色列特拉維夫大學研究人員宣布，他們用人類的脂肪組織，通過3D打印技術製作齣瞭一顆“人造心髒”，雖然隻是一個微縮版的原型，卻是人類“首次成功設計並打印齣一個具有細胞、血管、心室和心房的完整心髒”。同年，來自瑞士和荷蘭的研究團隊采用體積3D打印技術，使用僅僅幾秒鍾時間就在含有乾細胞的生物水凝膠內“雕刻”齣瞭復雜的組織形狀，並通過添加內皮細胞實現瞭組織血管化。2020年，明尼蘇達大學研究團隊開發瞭一種新型生物墨水，3D打印齣瞭具有腔室、心室和血管結構的心髒，在體外培養瞭60天之後，具備瞭泵血功能。

以色列科學傢3D打印血管化心髒

瑞士和荷蘭的研究團隊采用體積3D打印技術，僅幾秒鍾就“雕刻”齣瞭復雜的組織形狀

明尼蘇達大學研究團隊3D打印人類心髒具備泵血功能

在本研究中，王秀傑/王昌淩/劉永進閤作團隊創造性地開發瞭「六軸機器人生物打印機」和「油浴細胞打印體係」，提齣瞭模擬器官發育過程的新型循環式「打印-培養」方案並證明瞭其在製造復雜器官方麵的優勢，打印製造瞭具有毛細血管網絡並可長期存活的功能化心肌組織。

這一全新生物打印體係突破瞭傳統生物3D打印技術的平層打印局限，為復雜組織器官的體外製造提供瞭一種更加可行的解決方案。

注：本文內容來自新智元。