#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(ti) 外製造人類器官的新興(xing) 技術之一【1-3】。然而，目前的生物3D打印技術尚不能製造具有生理功能並且能夠長期存活的複雜器官，這也是生物3D打印技術發展的一個(ge) 瓶頸【4,5】。造成這一問題的主要原因是現有的生物3D打印機均隻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(cong) 而導致打印後的細胞缺少營養(yang) 供給而難以長時存活。此外，為(wei) 使打印後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(hui) 阻礙細胞間形成連接而影響細胞存活【4-6】。

為(wei) 解決(jue) 上述問題，2022年2月19日，中國科學院遺傳(chuan) 與(yu) 發育生物學研究所的王秀傑研究員團隊與(yu) 英國曼徹斯特大學王昌淩（Charlie C.L. Wang）教授團隊、清華大學劉永進教授團隊聯合攻關(guan) 在Bioactive Materials上發表題為(wei) A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication的論文，報道了一種基於(yu) 六軸機器人並且不依賴於(yu) 生物材料固化的細胞打印新策略，從(cong) 而實現了全角度細胞打印和打印後細胞的長期存活。

在該研究中，團隊創造性地將六軸機器人改造成為(wei) 生物3D打印機（六軸機器人生物打印機），由於(yu) 該打印機的每個(ge) 軸都可以進行360°轉動，所以理論上可以在空間中從(cong) 任意角度進行細胞打印（圖1）。為(wei) 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(ti) 係（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麵，並自發地與(yu) 生物支架和周邊其他細胞形成緊密連接，從(cong) 而使得在複雜血管支架上全方位打印細胞成為(wei) 可能。六軸機器人生物打印機通過油浴打印的細胞具有與(yu) 人工操作相同的存活率（>98%），並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係統（左側(ce) ）以及打印熒光細胞組成IGDB字母（右側(ce) ）。（B）在複雜動脈支架上進行多角度細胞打印。

團隊進一步從(cong) 組織器官發育的角度出發，模擬發育過程中組織器官體(ti) 積增大與(yu) 其內(nei) 部血管網絡生長相協同的規律，設計了循環式“打印-培養(yang) ”的器官製造方案，即在灌注有細胞培養(yang) 液或人造血液的血管網絡支架上打印一層或多層細胞後，將血管支架和打印後的細胞共同培養(yang) 一段時間，使得新打印的細胞間形成細胞連接和毛細血管後，再進行新一輪的細胞打印。重複這一“打印-培養(yang) ”過程，則可使打印後的細胞間形成類似體(ti) 內(nei) 的血管網絡，從(cong) 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(nei) 皮細胞和心肌細胞的打印實驗，證明了循環式“打印-培養(yang) ”方案能夠在血管支架上製備完整的內(nei) 皮細胞層，並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(nei) 形成間隙連接（Gap Junction），恢複並長期維持規律性搏動。通過這種循環式“打印-培養(yang) ”方案協同打印血管內(nei) 皮細胞和心肌細胞，團隊製造了具有毛細血管網絡、能夠在體(ti) 外存活並維持搏動超過6個(ge) 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(liang) 個(ge) 六軸機器人組成的協作生物打印平台，實現了在複雜血管支架上快速、有序地協同打印多種類型細胞（圖2C），表明該體(ti) 係在製造具有複雜物理結構和多種細胞類型的人類組織器官方麵的優(you) 勢。

圖2. （A）在血管支架上打印的內(nei) 皮細胞層可以形成毛細血管出芽。（B）協同打印血管內(nei) 皮細胞與(yu) 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台可以快速在複雜血管支架上打印不同細胞並使之形成特定排布模式。

綜上所述，王秀傑/王昌淩/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(ti) 係”，提出了模擬器官發育過程的新型循環式“打印-培養(yang) ”方案並證明了其在製造複雜器官方麵的優(you) 勢，打印製造了具有毛細血管網絡並可長期存活的功能化心肌組織。這一全新生物打印體(ti) 係突破了傳(chuan) 統生物3D打印技術的平層打印局限，為(wei) 複雜組織器官的體(ti) 外製造提供了一種更加可行的解決(jue) 方案。

中科院遺傳(chuan) 發育所王秀傑研究員、英國曼徹斯特大學王昌淩教授、清華大學劉永進教授為(wei) 該研究的共同通訊作者。王秀傑團隊博士研究生張澤宇和史慶慶博士，王昌淩團隊戴澄愷博士以及劉永進團隊吳陳銘博士為(wei) 該研究的共同第一作者。

原文連接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000743

參考文獻

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