生物3D打印(3DBioprinting)技术利用3D打印机将含有细胞和生物材料的“墨水”打印成特定的形状和结构,是最有希望制造人体的方式体外器官新兴技术之一[1-3]。然而,目前的生物3D打印技术仍无法制造出具有生理功能并能长期存活的复杂器官,这也是生物3D打印技术发展的瓶颈[4,5]。造成这个问题的主要原因是现有的生物3D打印机只能在水平和垂直方向逐层打印细胞。这种“逐层堆积”的打印方式无法实现细胞与血管网络的有机融合,导致打印出来的细胞缺乏营养供给,难以长期存活。此外,现有的生物3D打印技术为了将打印出的细胞相互固定,需要在细胞中加入可固化的生物材料。这些生物材料的加入虽然可以在短时间内固定细胞,但也会阻碍细胞间的相互作用。形成连接并影响细胞存活[4-6]。论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000743为解决上述问题,中国科学院遗传与发育生物学研究所王修杰研究员团队与CharlieC.L.教授团队英国曼彻斯特大学王教授、清华大学刘永进教授团队联合攻关,近日发表在生物材料领域顶级期刊《Bioactive Materials》上。这篇题为“Amulti-axisrobot-basedbioprintingsystemsupportingnaturalcellfunctionpreservationandcardiactissuefabrication”的论文提出了一种基于六轴机器人的细胞打印新策略,该策略不依赖于生物材料的凝固来实现Full-角细胞打印和打印后细胞的长期存活。在这项研究中,团队创造性地将六轴机器人改造成了生物3D打印机(six-axisrobotbioprinter)。由于打印机的每个轴都可以旋转360°,理论上可以任意角度旋转进行细胞打印(图1)。为了避免生物固化材料对细胞活性的影响,该团队设计了油浴式细胞打印系统(Oil-Bath-BasedCellPrinting),即在矿物油的疏水力作用下,打印出的细胞可以在不受重力影响的情况下保持稳定。它附着在生物支架的任何表面,并自发地与生物支架和其他周围细胞形成紧密连接,从而可以在各个方向将细胞打印在复杂的血管支架上。六轴机器人生物打印机通过油浴打印的细胞与人工操作具有相同的存活率(>98%),并能维持正常的细胞周期和生理功能。图1.(A)六轴机器人生物打印系统(左)和打印荧光细胞以形成IGDB字母(右);(B)复杂动脉支架上的多角度细胞打印。团队进一步从组织器官发育的角度出发,模拟发育过程中组织器官体积增长与其内部血管网络生长的协同规律,设计了循环“打印-培养”器官制造方案,即在灌注细胞培养液后或在人造血的血管网支架上打印一层或多层细胞后,将血管支架与打印的细胞共培养一段时间,这样经过新打印的细胞形成细胞连接和毛细血管,新一轮的细胞打印。重复这个“打印-培养”过程,可以使打印出来的细胞形成类似于人体的血管网络,从而支持打印出来的组织或器官的长期存活。应用上述方案,该团队利用六轴机器人生物打印机对血管支架上的血管内皮细胞和心肌细胞进行打印实验,证明循环“打印-培养”方案可以在血管支架上制备出完整的内皮细胞层,在血管生成因子的帮助下,新血管和毛细血管网络得以生长(图2A);打印出来的心肌细胞可以在短时间内形成缝隙连接(GapJunction),长期恢复和维持规律的跳动。通过这种循环“印刷培养”方案共同印刷血管内皮细胞和心肌细胞,该团队生产出具有毛细血管网络的心肌组织,该组织可以在体外存活并维持跳动超过6个月(图2B)。研究团队进一步利用六轴机器人生物打印机的低成本和高扩展性的特点,搭建了由两台六轴机器人组成的协同生物打印平台,实现了复杂生物上各类生物打印的快速有序协同打印。血管支架。细胞(图2C),展示了该系统在制造具有复杂物理结构和多种细胞类型的人体组织类器官方面的优势。图2.(A)打印在血管支架上的内皮细胞层可以形成毛细血管发芽;(B)血管内皮细胞与心肌细胞共印可形成具有血管网的心肌组织;(C)多机器人协同打印平台可以在复杂的血管支架上快速打印不同的细胞,并使其形成特定的排列模式。综上所述,王秀杰/王长岭/刘永进合作团队创造性地开发了“六轴机器人生物打印机”和“油浴细胞打印系统”,提出了一种新的模拟器官发育的循环“打印-培养”方案过程并证明,为了实现其在复杂器官制造中的优势,打印了具有毛细血管网络和长期存活的功能化心肌组织。这种新型生物打印系统突破了传统3D生物打印技术只能进行平面打印的局限,为复杂组织器官的体外制造提供了更可行的解决方案。作者介绍中国科学院遗传与发育研究所王修杰研究员、英国曼彻斯特大学王长岭教授、清华大学刘永进教授为该研究的共同通讯作者。王秀杰团队的博士生张泽宇和史青青博士,王长岭团队的戴成凯博士,刘永进团队的吴晨鸣博士为该研究的共同第一作者。
