研究开发出新型生物3D打印体系

2022-02-24 09:35啸云3D打印
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生物3D打印(3D Bioprinting)技术利用3D打印机将含有细胞和生物材料的生物墨水(Bioink)打印出特定的形状结构,是最有希望实现在体外制造人类器官的新兴技术之一。然而,目前的生物3D打印机技术还无法制造具有生理功能且能够长期存活的复杂器官,其主要原因是现有的生物3D打印机只能在水平和竖直方向上“逐层累加”地打印细胞,无法实现细胞和血管网络的有机融合,从而导致打印后的细胞缺少营养供给而难以长期存活。此外,为使逐层打印的生物墨水能够快速固定成型,现有生物3D打印技术均需在生物墨水中添加可固化的生物材料,这些材料虽然可以在短时间内固定细胞,但会显著影响细胞存活和功能。       

  为解决上述问题,中国科学院遗传与发育生物学研究所王秀杰团队与英国曼彻斯特大学教授王昌凌(Charlie C.L. Wang)团队、清华大学教授刘永进团队合作,创造性地将六轴机器人改造成为生物3D打印机(六轴机器人生物打印机)。六轴机器人具有六个可以360°自由转动的关节,理论上可以在空间内的任意角度进行细胞打印(图A)。为避免生物材料固定给细胞带来的负面影响,科研人员开发了油浴细胞打印体系(Oil-Bath-Based Cell Printing),即在矿物油的疏水作用力下,打印的细胞可以不受重力影响而稳定地贴附在生物支架的任意表面,并自发地与生物支架和周边细胞形成紧密连接。结合两种新开发的体系,可以实现在复杂血管支架上进行细胞全方位打印,打印的细胞具有与人工操作相同的存活率(>98%),并且能够保持正常的细胞周期和生理功能。科研人员进一步从组织器官发育的角度出发,设计了循环式“打印-培养”的器官制造方案,在血管支架上打印若干层细胞后,将其进行一段时间的共培养以诱导打印细胞间形成具有功能的胞间连接和新生毛细血管,然后再进行新的一轮细胞打印。重复这一“打印-培养”过程,可以使打印组织内部形成与体内器官类似的血管网络,从而支持打印组织器官的长期存活。

  应用上述技术和方案,科研人员在血管支架上开展了血管内皮细胞和心肌细胞打印实验。六轴机器人生物打印机结合油浴细胞打印体系可以在复杂血管支架上打印完整的内皮层,并且可以在生血管因子的辅助下生长出新血管和毛细血管网络(图B);打印的心肌细胞能够在短时间内形成间隙连接,恢复并长时维持规律性搏动。通过循环式“打印-培养”方案协同打印血管内皮细胞和心肌细胞,科研人员制造了具有毛细血管网络、能够在体外存活并且维持搏功能超过6个月的心肌组织(图B)。利用六轴机器人生物打印机低成本、高拓展性等优点,科研人员进一步建立了由两个六轴机器人组成的协作打印平台,实现了在复杂血管支架上快速而有序地协同打印多种类型细胞(图C)。该研究报道的生物打印体系突破了传统生物3D打印的平层局限,为复杂组织器官的体外制造提供了更可行的解决方案。

  相关研究成果以A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication为题,在线发表在

上。研究工作得到国家自然科学基金委和中科院战略性先导科技专项的资助。


  新型六轴机器人生物打印机及其打印产品。(A)六轴机器人生物打印平台和由打印的绿色荧光血管内皮细胞组成的IGDB字母;(B)由六轴机器人生物打印平台完成的具有新生血管功能的人造血管(左侧及中央,绿色表示血管内皮细胞)以及血管化心肌组织(右侧,绿色表示心肌组织,红色表示血管网络);(C)双机器人协作打印平台(左侧)可以在复杂血管支架上协同打印不同类型细胞(中央)并形成特定的细胞排布模式(右侧)


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