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。

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。

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。

圖丨左：熊卓，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。

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。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。

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。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。

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]。

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。

用微凝膠雙相生物墨水的設計策略，助力 SPIRIT 技術(shù)實(shí)現

研究的起點(diǎn)要從 2020 年說(shuō)起。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。

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?！?/p>

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。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。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”。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。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。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?！翱吹竭@個(gè)結果，課題組成員都非常興奮?！毙茏空f(shuō)。

致力于復雜組織器官的生物 *D 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。

熊卓副教授于 1*** 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。2004 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。

2004 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。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。

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。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。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 18 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。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。

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”。

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。

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?！拔磥?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?！毙茏空f(shuō)。

參考資料：

1.Yongcong Fang et al. Advanced Materials(202*).

2.Yongcong Fang et al. Advanced Functional Materials(2021).