逐級懸浮3D打印制造含可灌注血管的心臟模型

供稿人：武文澤、高琳
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打印）分會


在體外按需創(chuàng)建功能性組織和器官是生物制造的主要目標，但現(xiàn)有生物3D打印技術(shù)仍然難以同時構(gòu)建器官的復雜宏觀外部幾何形狀和其內(nèi)部微觀精細結(jié)構(gòu)（如血管）。

針對這一問題，清華大學機械系熊卓團隊研發(fā)了一種逐級懸浮3D打印技術(shù)，這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)具有復雜外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)的組織器官快速構(gòu)建。基于這一技術(shù)，熊卓團隊成功打印了含可灌注血管網(wǎng)絡(luò)的心室模型，為復雜器官的體外打印構(gòu)建提供了新的解決思路。

逐級懸浮3D打印技術(shù)具體的制造過程如下（圖1）：第一級打印，在懸浮介質(zhì)中打印生物墨水，獲得組織和器官的復雜外部宏觀結(jié)構(gòu)；第二級打印，將犧牲墨水打印到初次打印但未交聯(lián)的結(jié)構(gòu)中，獲得自由形態(tài)的血管網(wǎng)絡(luò)；原位交聯(lián)使打印結(jié)構(gòu)定型，同時通過去除懸浮介質(zhì)和犧牲墨水獲得含自由血管網(wǎng)絡(luò)的復雜器官。

圖1 逐級懸浮打印過程示意圖

然后研究者們創(chuàng)建了一個簡化的心室模型進行打印（圖2），整個模型直徑約為2厘米，壁厚約為4毫米，心室模型中間表面有分層血管網(wǎng)絡(luò)。在使用生物墨水首次打印心室結(jié)構(gòu)后，繼續(xù)打印含有紅色染料的明膠墨水以產(chǎn)生血管網(wǎng)絡(luò)。在第二個打印階段，通過控制掃描時間或以恒定打印速度改變擠出速率來調(diào)整每個分支的直徑。由此成功打印了嵌入分層血管網(wǎng)絡(luò)的心室結(jié)構(gòu)。去除懸浮介質(zhì)和犧牲墨水后，可以通過與注射泵連接反復灌注心室內(nèi)的整個分層血管網(wǎng)絡(luò)。

圖2 逐級懸浮打印制造的可灌注心室結(jié)構(gòu)

參考文獻：
FANG Y, GUO Y, WU B, et al. Expanding Embedded 3D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks [J]. Adv Mater, 2023, e2205082.