供稿人：連偉龍，連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-05-14
盡管近年來(lái)在人工組織和器官工程方面取得了一些進(jìn)展，但如何制造大尺寸的、可行的和功能復(fù)雜的器官仍然是再生醫(yī)學(xué)面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。生物3D打印技術(shù)是最有希望實(shí)現(xiàn)體外制造人類器官的新興技術(shù)之一，但在復(fù)雜器官生產(chǎn)中，其在血管生成和細(xì)胞功能保存方面仍面臨困難。為此，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所王秀杰團(tuán)隊(duì)與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授王昌凌團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)教授劉永進(jìn)團(tuán)隊(duì)合作，創(chuàng)造性地將六軸機(jī)器人改造成為生物3D打印機(jī)--六軸機(jī)器人生物3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了360°全方位任意角度細(xì)胞打??；并且開(kāi)發(fā)了油浴細(xì)胞打印體系，以更好地保持細(xì)胞打印后的自然功能，如圖1所示。結(jié)合自行設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器和重復(fù)的打印培養(yǎng)策略，生物打印系統(tǒng)能夠生成血管化的、可收縮的、長(zhǎng)期存活的心臟組織，為復(fù)雜器官的體外制造提供了一個(gè)有前途的解決方案。
圖1 六軸機(jī)器人生物3D打印機(jī)示意圖
研究人員應(yīng)用六軸機(jī)器人解決了目前生物3D打印過(guò)程中只能在水平和豎直方向上逐層打印細(xì)胞的限制，并且利用油性打印環(huán)境與水性生物油墨之間的疏水性，保證打印細(xì)胞附著在支架上，這種油浴細(xì)胞打印系統(tǒng)不僅最大限度地保持了細(xì)胞活性（細(xì)胞存活率高于98%），還促進(jìn)了血管網(wǎng)絡(luò)的形成。
圖2 人造血管（左側(cè)及中央，綠色表示血管內(nèi)皮細(xì)胞）以及血管化心肌組織圖（右側(cè)，綠色表示心肌組織，紅色表示血管網(wǎng)絡(luò)）
研究人員通過(guò)血管支架持續(xù)灌注的培養(yǎng)基為打印細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)，使血管支架的外層和內(nèi)層細(xì)胞都能夠獲得營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。并且通過(guò)重復(fù)的打印和培養(yǎng)過(guò)程，以及在灌注介質(zhì)中添加血管生成因子，促進(jìn)了血管生成和打印血管和心臟組織中的血管生成，如圖2所示。 該研究通過(guò)六軸機(jī)器人生物3D打印技術(shù)制造一塊血管化的心臟組織，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜形狀的血管支架上同時(shí)對(duì)多種細(xì)胞進(jìn)行生物打印，證明了在體外生成大規(guī)模和功能性人工組織/器官的可行性。