中科院研究開發(fā)出新型生物3D打印體系

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生物墨水（Bioink）打印出特定的形狀結構，是最有希望實現(xiàn)在體外制造人類器官的新興技術之一。然而，目前的生物3D打印機技術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)細胞和血管網絡的有機融合，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°自由轉動的關節(jié)，理論上可以在空間內的任意角度進行細胞打?。▓DA）。 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，可以使打印組織內部形成與體內器官類似的血管網絡，從而支持打印組織器官的長期存活。

新型六軸機器人生物打印機及其打印產品。（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（左側及中央，綠色表示血管內皮細胞）以及血管化心肌組織（右側，綠色表示心肌組織，紅色表示血管網絡）；（C）雙機器人協(xié)作打印平臺（左側）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）

應用上述技術和方案，科研人員在血管支架上開展了血管內皮細胞和心肌細胞打印實驗。六軸機器人生物打印機結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絡（圖B）；打印的心肌細胞能夠在短時間內形成間隙連接，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)同打印血管內皮細胞和心肌細胞，科研人員制造了具有毛細血管網絡、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。

相關研究成果以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。

來源： 遺傳與發(fā)育生物學研究所