清華團隊研發(fā)逐級懸浮打印技術(shù)，為復雜器官的體外打印提供新思路
生物 *D 打?。ㄓ绕涫菓腋∩?*D 打?。┦且活?lèi)基于活細胞和生物材料的精確組裝技術(shù)，在復雜器官構建方面具有優(yōu)勢打印。
借助于懸浮介質(zhì)的支撐特性，懸浮生物 *D 打印技術(shù)不僅可以打印復雜的器官結構，還可以實(shí)現低粘度生物墨水（如膠原、纖維蛋白等細胞外基質(zhì)材料）的 *D 打印成形，有助于促進(jìn)打印組織的功能發(fā)育打印。
盡管科學(xué)家們付出了大量努力，但是現有生物 *D 打印技術(shù)仍然難以同時(shí)構建具有復雜宏觀(guān)結構和可精細調控的微觀(guān)結構打印。
圖丨左：熊卓打印，右：方永聰（來(lái)源：熊卓）
基于此，清華大學(xué)機械系熊卓副教授團隊研發(fā)了一種新型逐級懸浮 *D 打?。⊿equential Printing in a Reversible Ink Template，簡(jiǎn)稱(chēng) SPIRIT）技術(shù)，能夠快速打印、并精準調控具有復雜外部結構和內部血管網(wǎng)絡(luò )的組織器官的微觀(guān)結構打印。
該團隊成功構建出含分級血管網(wǎng)絡(luò )的仿生心室模型，有望加速生物 *D 打印器官在醫學(xué)領(lǐng)域的轉化應用打印。熊卓表示，這項研究將宏微尺度復雜結構進(jìn)行一體化打印制造，推動(dòng)生物 *D 打印技術(shù)走向一個(gè)新高度，并在柔性電子器件、軟體機器人、生物醫學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應用前景。
審稿人指出，該研究對生物制造的領(lǐng)域發(fā)展具有重要的貢獻，提供了一種全新的生物 *D 打印手段，有效拓展了現有 *D 打印工藝的技術(shù)邊界打印。
該團隊利用 SPIRIT 技術(shù)，首次實(shí)現了打印“栩栩如生”的心室模型打印。該技術(shù)在體外重現人體器官的復雜精細結構上，具有突出的優(yōu)勢，為體外人造器官的功能重建奠定基礎，在未來(lái)“按需制造器官”道路上邁出了重要的一步。
更進(jìn)一步地，SPIRIT 技術(shù)還可實(shí)現復雜器官的“快打印”，為提高打印活性和未來(lái)的轉化應用做好充分準備打印。
圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）
近日，相關(guān)論文以《通過(guò)拓展懸浮生物 *D 打印能力構建含自由血管網(wǎng)絡(luò )的復雜器官》（Expanding Embedded *D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks）為題發(fā)表在 Advanced Materials 上[1]打印。
該論文第一作者為清華大學(xué)機械工程系方永聰助理研究員，通訊作者為清華大學(xué)機械工程系熊卓副教授打印。
用微凝膠雙相生物墨水的設計策略打印，助力 SPIRIT 技術(shù)實(shí)現
研究的起點(diǎn)要從 2020 年說(shuō)起打印。當時(shí)方永聰剛從清華機械系博士畢業(yè)，進(jìn)入熊卓團隊從事博士后研究工作。
在討論研究選題時(shí)，熊卓和方永聰決定針對復雜器官打印構建的關(guān)鍵難題發(fā)力，研發(fā)一種新的生物墨水體系和懸浮打印方法，兩人興奮地討論起技術(shù)細節以及潛在應用打印。
熊卓回憶道：“經(jīng)過(guò)深入討論，SPIRIT 技術(shù)的名字浮現在腦海，其全稱(chēng)很好地概括了技術(shù)特征，簡(jiǎn)稱(chēng)展現出構建組織器官有形又有‘魂’的美好愿景，一切是那么順理成章打印。”
圖丨逐級懸浮生物 *D 打印策略（來(lái)源：Advanced Materials）
該研究進(jìn)行期間，也遭受到了很多人的質(zhì)疑，認為第二級打印不可避免會(huì )對第一級打印的結構造成破壞打印。課題組經(jīng)過(guò)分析，認為 SPIRIT 技術(shù)的關(guān)鍵在于尋找一種既能用作打印墨水、又能作為懸浮介質(zhì)的生物材料。
2020 年底，他們開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗打印。在前期工作中，研究人員發(fā)現，目前大部分生物材料均難以滿(mǎn)足 SPIRIT 技術(shù)的打印要求。為此，課題組提出了微凝膠雙相生物墨水的設計策略。
圖丨載細胞 MB 生物墨水的表征和生物 *D 打?。▉?lái)源：Advanced Materials）
經(jīng)過(guò)相關(guān)實(shí)驗，該材料在較寬的溫度范圍，呈現出剪切稀化、自愈合水平高、光交聯(lián)快速的優(yōu)勢，是理想的“墨水材料”打印。值得關(guān)注的是，該技術(shù)利用同一生物材料使其被用為打印墨水以及懸浮介質(zhì)，而這在以往的研究中未曾實(shí)現。
當拿到打印結構優(yōu)異的力學(xué)測試結果時(shí)，課題組敏銳地意識到這是一種超彈性、抗疲勞的材料體系，在組織器官構建方面具有獨特優(yōu)勢打印。很快在 2021 年底，關(guān)于微凝膠雙相生物墨水的相關(guān)論文發(fā)表在 Advanced Functional Materials 上[2]。
有了微凝膠雙相墨水的加持，后面的實(shí)驗進(jìn)展便順利了很多打印。經(jīng)過(guò)了長(cháng)達數月的逐級懸浮打印工藝摸索，該課題組終于在 2022 年初，成功地打印出一個(gè)含復雜血管網(wǎng)絡(luò )的心室結構。“看到這個(gè)結果，課題組成員都非常興奮。”熊卓說(shuō)。
致力于復雜組織器官的生物 *D 打印打印，邁向“重塑完美，栩栩如生”
作為全球最早開(kāi)展生物 *D 打吉印通究的單位之一，目前，清華大學(xué)機械系生物制造中心在顏永年教授、孫偉教授的帶領(lǐng)下，已建成生物制造與快速成形技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗室、生物制造與體外生命系統工程交叉學(xué)科創(chuàng )新引智基地（“111”基地）等科研平臺打印。
熊卓副教授于 1999 年進(jìn)入生物制造這一新興的交叉學(xué)科研究領(lǐng)域，將快速成形（*D 打?。┘夹g(shù)拓展到生物醫學(xué)領(lǐng)域打印。200* 年，他主持了首個(gè)細胞 *D 打印方向的國家自然科學(xué)基金項目，是最早在該領(lǐng)域開(kāi)展工作的研究者之一。
200* 年，熊卓與顏永年等人首次提出擠出式細胞三維打印方法構建組織器官打印。目前，該方法仍是主流的細胞 *D 打印方法。他們構建了基于細胞受控組裝的生物制造工程理論與技術(shù)框架體系，提出了通過(guò)細胞直接受控組裝和細胞間接受控組裝構建組織器官的技術(shù)路線(xiàn)。
多年來(lái)，熊卓團隊致力于復雜組織器官的生物 *D 打印構建，秉承著(zhù)“重塑完美，栩栩如生”的愿景，在生物 *D 打印、組織器官再生、體外疾病模型以及太空生物 *D 打印等方面收獲了系列研究成果打印。
據介紹，其發(fā)明的低溫沉積制造工藝，目前已經(jīng)被廣泛應用于組織工程支架成形打印。并且，還發(fā)明了多種細胞 *D 打印工藝，多款設備已實(shí)現商品化生產(chǎn)。
移植器官短缺是全球性普遍難題之一打印。據世界衛生組織統計，全世界每年至少有 200 萬(wàn)人需要器官移植，而器官供需比只有不足 *%，每天有 1* 人在等待器官的過(guò)程中死亡。隨著(zhù)基因工程、生物工程、免疫學(xué)等學(xué)科的進(jìn)步，研究者在尋求包括異種器官移植和生物 *D 打印器官等在內的人類(lèi)自身以外的器官供體。
近年來(lái)，異種器官移植領(lǐng)域收獲了許多重要進(jìn)展打印。2022 年，美國馬里蘭大學(xué)首次將基因修飾豬的心臟移植到一位晚期心臟病患者，然而患者術(shù)后只存活了兩個(gè)月，這預示著(zhù)異種器官移植還要經(jīng)過(guò)“漫漫長(cháng)路”。
替代性組織/器官的體外重建是生物制造與再生醫學(xué)領(lǐng)域的圣杯，最近年來(lái)也吸引了無(wú)數研究者在該領(lǐng)域深度探索打印。
隨著(zhù)生物材料、干細胞、生物制造、組織工程等領(lǐng)域的交叉融合與發(fā)展突破，再生醫學(xué)領(lǐng)域取得了驚人的進(jìn)展和成就，相信復雜組織/器官的體外重建和替代修復的夢(mèng)想已不再“遙不可及”打印。
方永聰表示，接下來(lái)的工作會(huì )進(jìn)一步探索 SPIRIT 技術(shù)在除組織再生外其他領(lǐng)域的應用，比如將 SPIRIT 技術(shù)應用于打印構建具有復雜流道和電極網(wǎng)絡(luò )的柔性電子器件打印。
人體器官具有復雜的多脈管系統，以心臟為例，除了血管系統，還有傳導系統打印。“未來(lái)，我們將進(jìn)一步完善 SPIRIT 技術(shù)，打印出‘栩栩如生’的心臟模型，實(shí)現打印心室的功能成熟，應用于心臟疾病研究和藥物篩選，離‘重塑完美’更進(jìn)一步。”熊卓說(shuō)。
參考資料：
1.Yongcong Fang et al. Advanced Materials(202*).
2.Yongcong Fang et al. Advanced Functional Materials(2021).