王/王长岭/刘团队开发出一种新的生物3D打印系统

来源：中国生物技术网2022-02-25 08:27

3D生物打印技术利用3D打印机打印出含有细胞和生物材料的特定形状和结构的Bioink，是最有希望在体外制造人体器官的新兴技术之一。然而，目前的生物3D打印机技术还不能制造出具有生理功能和长期存活的复杂器官。主要原因是现有的bio-3D打印机只能在水平和垂直方向逐层打印细胞，无法实现细胞求和。

3D生物打印技术利用3D打印机打印出含有细胞和生物材料的特定形状和结构的Bioink，是最有希望在体外制造人体器官的新兴技术之一。然而，目前的生物3D打印机技术还不能制造出具有生理功能和长期存活的复杂器官。主要原因是现有的bio-3D打印机只能在水平和垂直方向逐层打印细胞，无法实现细胞和血管网的有机整合，导致打印出来的细胞缺乏营养供给，难以长期存活。此外，为了快速固定逐层打印的生物墨水，现有的生物3D打印技术需要在生物墨水中添加可固化的生物材料。虽然这些材料可以在短时间内固定细胞，但会显著影响细胞的存活和功能。

为解决上述问题，中国科学院发育生物学研究所王团队与英国曼彻斯特大学Charlie C.L. Wang团队和清华大学刘团队合作，创造性地将六轴机器人改造成生物3D打印机(六轴机器人生物打印机)。六轴机器人有六个关节，可以360度自由旋转，理论上可以在空间任意角度打印细胞(图A)。为了避免生物材料固定对细胞的负面影响，研究人员开发了一种基于油浴的细胞打印系统，即在矿物油的疏水力作用下，打印的细胞可以稳定地附着在生物支架的任何表面，不受重力影响，并自发地与生物支架和周围细胞形成紧密的连接。将两个新开发的系统结合起来，我们可以实现在复杂的血管支架上全方位打印细胞。打印出来的细胞存活率(98%)与人工操作相同，并能维持正常的细胞周期和生理功能。从组织和器官发育的角度，研究人员设计了一个循环的“打印-培养”器官制造方案。在血管支架上打印几层细胞后，共同培养一段时间，诱导打印的细胞形成功能性细胞间连接和新的毛细血管，然后进行新一轮的细胞打印。重复这个“打印-培养”的过程，可以使打印出来的组织中形成类似内脏的血管网，从而支持打印出来的组织和器官的长期存活。

利用上述技术和方案，研究人员在血管支架上进行了血管内皮细胞和心肌细胞的打印实验。六轴机器人生物打印机结合油浴细胞打印系统，可以在复杂的血管支架上打印出完整的内皮层，新生血管和毛细血管网可以借助血管生成因子生长(图B)；打印出来的心肌细胞可以在短时间内形成缝隙连接，长时间恢复并维持规则的搏动。研究人员通过循环“打印-培养”方案合作打印血管内皮细胞和心肌细胞，制造出具有毛细血管网络的心肌组织，可在体外存活并维持跳动功能6个月以上(图B)。利用六轴机器人生物打印机成本低、扩展性强等优势，研究人员进一步建立了由两个六轴机器人组成的协同打印平台，实现了复杂血管支架上各类细胞的快速有序协同打印(图C)。本研究报告的生物打印系统突破了传统生物3D打印的平面限制，为复杂组织和器官的体外制造提供了更可行的解决方案。

相关研究成果在线发表在《生物活性材料》杂志上，标题为基于多轴机器人的生物打印系统，支持自然细胞功能保存和心脏组织制造。本研究得到了国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技项目的资助。(100yiyao.com)

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