最近，由中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的王秀杰研究員、曼徹斯特大學(xué)的王昌凌教授和清華大學(xué)的劉永進(jìn)教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊，提出了一種新型3D生物打印體系，并登上了生物材料領(lǐng)域頂級期刊。

生物3D打?。?D Bioprinting）技術(shù)利用3D打印機(jī)將含有細(xì)胞和生物材料的「墨水」打印出特定的形狀結(jié)構(gòu)，是最有希望實現(xiàn)在體外制造人類器官的新興技術(shù)之一[1-3]。

然而，目前的生物3D打印技術(shù)尚不能制造具有生理功能并且能夠長期存活的復(fù)雜器官，這也是生物3D打印技術(shù)發(fā)展的一個瓶頸[4, 5]。

造成這一問題的主要原因是現(xiàn)有的生物3D打印機(jī)均只能在水平和豎直方向上逐層打印細(xì)胞，這種「逐層累加」的打印方式無法實現(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)胞缺少營養(yǎng)供給而難以長時存活。

此外，為使打印后的細(xì)胞能夠相互固定在一起，現(xiàn)有的生物3D打印技術(shù)均需在細(xì)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(xì)胞，但也會阻礙細(xì)胞間形成連接而影響細(xì)胞存活[4-6]。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000743

為解決上述問題，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所的王秀杰研究員團(tuán)隊與英國曼徹斯特大學(xué)王昌凌（Charlie C.L. Wang）教授團(tuán)隊、清華大學(xué)劉永進(jìn)教授團(tuán)隊聯(lián)合攻關(guān)，于近日發(fā)表在生物材料領(lǐng)域頂級期刊《Bioactive Materials》上。

這篇題為「A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication」的論文，提出了一種基于六軸機(jī)器人并且不依賴于生物材料固化的細(xì)胞打印新策略，從而實現(xiàn)了全角度細(xì)胞打印和打印后細(xì)胞的長期存活。

在該研究中，團(tuán)隊創(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)），由于該打印機(jī)的每個軸都可以進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動，所以理論上可以在空間中從任意角度進(jìn)行細(xì)胞打印（圖1）。

為避免生物固化材料對細(xì)胞活性的影響，團(tuán)隊設(shè)計了油浴細(xì)胞打印體系（Oil-Bath-based Cell Printing），即在礦物油的疏水作用力下，打印的細(xì)胞可以不受重力影響而穩(wěn)定地貼附在生物支架的任意表面，并自發(fā)地與生物支架和周邊其他細(xì)胞形成緊密連接，從而使得在復(fù)雜血管支架上全方位打印細(xì)胞成為可能。

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

圖1. （A）六軸機(jī)器人生物打印系統(tǒng)（左側(cè)）以及打印熒光細(xì)胞組成IGDB字母（右側(cè)）；（B）在復(fù)雜動脈支架上進(jìn)行多角度細(xì)胞打印。

團(tuán)隊進(jìn)一步從組織器官發(fā)育的角度出發(fā)，模擬發(fā)育過程中組織器官體積增大與其內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)生長相協(xié)同的規(guī)律，設(shè)計了循環(huán)式「打印-培養(yǎng)」的器官制造方案，即在灌注有細(xì)胞培養(yǎng)液或人造血液的血管網(wǎng)絡(luò)支架上打印一層或多層細(xì)胞后，將血管支架和打印后的細(xì)胞共同培養(yǎng)一段時間，使得新打印的細(xì)胞間形成細(xì)胞連接和毛細(xì)血管后，再進(jìn)行新一輪的細(xì)胞打印。重復(fù)這一「打印-培養(yǎng)」過程，則可使打印后的細(xì)胞間形成類似體內(nèi)的血管網(wǎng)絡(luò)，從而支持打印組織或器官的長期存活。

應(yīng)用上述方案，團(tuán)隊利用六軸機(jī)器人生物打印機(jī)在血管支架上開展了血管內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞的打印實驗，證明了循環(huán)式「打印-培養(yǎng)」方案能夠在血管支架上制備完整的內(nèi)皮細(xì)胞層，并且在生血管因子的輔助下生長出新血管和毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)（圖2A）；打印的心肌細(xì)胞可以在短時間內(nèi)形成間隙連接（Gap Junction），恢復(fù)并長期維持規(guī)律性搏動。通過這種循環(huán)式「打印-培養(yǎng)」方案協(xié)同打印血管內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞，團(tuán)隊制造了具有毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)、能夠在體外存活并維持搏動超過6個月的心肌組織（圖2B）。

研究團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)揮六軸機(jī)器人生物打印機(jī)低成本、高拓展性等特點，構(gòu)建了由兩個六軸機(jī)器人組成的協(xié)作生物打印平臺，實現(xiàn)了在復(fù)雜血管支架上快速、有序地協(xié)同打印多種類型細(xì)胞（圖2C），表明該體系在制造具有復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)和多種細(xì)胞類型的人類組織器官方面的優(yōu)勢。

圖2. （A）在血管支架上打印的內(nèi)皮細(xì)胞層可以形成毛細(xì)血管出芽；（B）協(xié)同打印血管內(nèi)皮細(xì)胞與心肌細(xì)胞可以形成具有血管網(wǎng)絡(luò)的心肌組織；（C）多機(jī)器人協(xié)作打印平臺可以快速在復(fù)雜血管支架上打印不同細(xì)胞并使之形成特定排布模式。

綜上所述，王秀杰/王昌凌/劉永進(jìn)合作團(tuán)隊創(chuàng)造性地開發(fā)了「六軸機(jī)器人生物打印機(jī)」和「油浴細(xì)胞打印體系」，提出了模擬器官發(fā)育過程的新型循環(huán)式「打印-培養(yǎng)」方案并證明了其在制造復(fù)雜器官方面的優(yōu)勢，打印制造了具有毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)并可長期存活的功能化心肌組織。

這一全新生物打印體系突破了傳統(tǒng)生物3D打印技術(shù)的平層打印局限，為復(fù)雜組織器官的體外制造提供了一種更加可行的解決方案。

作者介紹

中科院遺傳發(fā)育所王秀杰研究員、英國曼徹斯特大學(xué)王昌凌教授、清華大學(xué)劉永進(jìn)教授為該研究的共同通訊作者。

王秀杰團(tuán)隊博士研究生張澤宇和史慶慶博士，王昌凌團(tuán)隊戴澄愷博士以及劉永進(jìn)團(tuán)隊吳陳銘博士為該研究的共同第一作者。

參考資料：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000743

[1] I. Matai, G. Kaur, A. Seyedsalehi, A. McClinton, C.T. Laurencin, Progress in 3D bioprinting technology for tissue/organ regenerative engineering, Biomaterials 226 (2020) 119536.

[2] S. Vijayavenkataraman, W.-C. Yan, W.F. Lu, C.-H. Wang, J.Y.H. Fuh, 3D bioprinting of tissues and organs for regenerative medicine, Advanced Drug Delivery Reviews 132 (2018) 296-332.

[3] M. Burke, B.M. Carter, A.W. Perriman, Bioprinting: uncovering the utility layer-by-layer, Journal of 3D Printing in Medicine 1(3) (2017) 165-179.

[4] A.N. Leberfinger, S. Dinda, Y. Wu, S.V. Koduru, V. Ozbolat, D.J. Ravnic, I.T. Ozbolat, Bioprinting functional tissues, Acta Biomaterialia 95 (2019) 32-49.

[5] C. Mandrycky, Z. Wang, K. Kim, D.-H. Kim, 3D bioprinting for engineering complex tissues, Biotechnology Advances 34(4) (2016) 422-434.

[6] Z. Zhang, X.-J. Wang, Current progresses of 3D bioprinting based tissue engineering, Quantitative Biology 5(2) (2017) 136-142.