生物3D打印（3D Bioprinting）技術(shù)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(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。然而，目前的生物3D打印機技術(shù)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(luò)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(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間內(nèi)固定細胞，但會顯著影響細胞存活和功能。
為解決上述問題，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）。六軸機器人具有六個可以360°自由轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，理論上可以在空間內(nèi)的任意角度進行細胞打印（圖A）。為避免生物材料固定給細胞帶來的負面影響，科研人員開發(fā)了油浴細胞打印體系（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細胞形成緊密連接。結(jié)合兩種新開發(fā)的體系，可以實現(xiàn)在復雜血管支架上進行細胞全方位打印，打印的細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胞周期和生理功能。科研人員進一步從組織器官發(fā)育的角度出發(fā)，設(shè)計了循環(huán)式“打印-培養(yǎng)”的器官制造方案，在血管支架上打印若干層細胞后，將其進行一段時間的共培養(yǎng)以誘導打印細胞間形成具有功能的胞間連接和新生毛細血管，然后再進行新的一輪細胞打印。重復這一“打印-培養(yǎng)”過程，可以使打印組織內(nèi)部形成與體內(nèi)器官類似的血管網(wǎng)絡(luò)，從而支持打印組織器官的長期存活。
應用上述技術(shù)和方案，科研人員在血管支架上開展了血管內(nèi)皮細胞和心肌細胞打印實驗。六軸機器人生物打印機結(jié)合油浴細胞打印體系可以在復雜血管支架上打印完整的內(nèi)皮層，并且可以在生血管因子的輔助下生長出新血管和毛細血管網(wǎng)絡(luò)（圖B）；打印的心肌細胞能夠在短時間內(nèi)形成間隙連接，恢復并長時維持規(guī)律性搏動。通過循環(huán)式“打印-培養(yǎng)”方案協(xié)同打印血管內(nèi)皮細胞和心肌細胞，科研人員制造了具有毛細血管網(wǎng)絡(luò)、能夠在體外存活并且維持搏功能超過6個月的心肌組織（圖B）。利用六軸機器人生物打印機低成本、高拓展性等優(yōu)點，科研人員進一步建立了由兩個六軸機器人組成的協(xié)作打印平臺，實現(xiàn)了在復雜血管支架上快速而有序地協(xié)同打印多種類型細胞（圖C）。該研究報道的生物打印體系突破了傳統(tǒng)生物3D打印的平層局限，為復雜組織器官的體外制造提供了更可行的解決方案。
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A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication
為題，在線發(fā)表在
Bioactive Materials
上。研究工作得到國家自然科學基金委和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的資助。
新型六軸機器人生物打印機及其打印產(chǎn)品。（A）六軸機器人生物打印平臺和由打印的綠色熒光血管內(nèi)皮細胞組成的IGDB字母；（B）由六軸機器人生物打印平臺完成的具有新生血管功能的人造血管（左側(cè)及中央，綠色表示血管內(nèi)皮細胞）以及血管化心肌組織（右側(cè)，綠色表示心肌組織，紅色表示血管網(wǎng)絡(luò)）；（C）雙機器人協(xié)作打印平臺（左側(cè)）可以在復雜血管支架上協(xié)同打印不同類型細胞（中央）并形成特定的細胞排布模式（右側(cè)）
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