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

生物3D打印（3D Bioprinting）技術利用3D打印機將含有細胞和生物材料的「墨水」打印出特定的形狀結構，是最有希望實現在體外制造人類器官的新興技術之一[1-3]。

然而，目前的生物3D打印技術尚不能制造具有生理功能并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[4, 5]。

造成這一問題的主要原因是現有的生物3D打印機均只能在水平和豎直方向上逐層打印細胞，這種「逐層累加」的打印方式無法實現細胞和血管網絡的有機融合，從而導致打印后的細胞缺少營養供給而難以長時存活。

此外，為使打印后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[4-6]。

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

為解決上述問題，中國科學院遺傳與發育生物學研究所的王秀杰研究員團隊與英國曼徹斯特大學王昌凌（Charlie C.L. Wang）教授團隊、清華大學劉永進教授團隊聯合攻關，于近日發表在生物材料領域頂級期刊《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器人并且不依賴于生物材料固化的細胞打印新策略，從而實現了全角度細胞打印和打印后細胞的長期存活。

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），由于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（圖1）。

為避免生物固化材料對細胞活性的影響，團隊設計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定地貼附在生物支架的任意表面，并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%），并且能夠保持正常的細胞周期和生理功能。

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

團隊進一步從組織器官發育的角度出發，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，設計了循環式「打印-培養」的器官制造方案，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后，將血管支架和打印后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后，再進行新一輪的細胞打印。重復這一「打印-培養」過程，則可使打印后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。

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了血管內皮細胞和心肌細胞的打印實驗，證明了循環式「打印-培養」方案能夠在血管支架上制備完整的內皮細胞層，并且在生血管因子的輔助下生長出新血管和毛細血管網絡（圖2A）；打印的心肌細胞可以在短時間內形成間隙連接（Gap Junction），恢復并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，團隊制造了具有毛細血管網絡、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，構建了由兩個六軸機器人組成的協作生物打印平臺，實現了在復雜血管支架上快速、有序地協同打印多種類型細胞（圖2C），表明該體系在制造具有復雜物理結構和多種細胞類型的人類組織器官方面的優勢。

圖2. （A）在血管支架上打印的內皮細胞層可以形成毛細血管出芽；（B）協同打印血管內皮細胞與心肌細胞可以形成具有血管網絡的心肌組織；（C）多機器人協作打印平臺可以快速在復雜血管支架上打印不同細胞并使之形成特定排布模式。

綜上所述，王秀杰/王昌凌/劉永進合作團隊創造性地開發了「六軸機器人生物打印機」和「油浴細胞打印體系」，提出了模擬器官發育過程的新型循環式「打印-培養」方案并證明了其在制造復雜器官方面的優勢，打印制造了具有毛細血管網絡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生物3D打印技術的平層打印局限，為復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

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

王秀杰團隊博士研究生張澤宇和史慶慶博士，王昌凌團隊戴澄愷博士以及劉永進團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.