生物 *D 打印（尤其是懸浮生物 *D 打印）是一類基于活細(xì)胞和生物材料的精確組裝技術(shù)，在復(fù)雜器官構(gòu)建方面具有優(yōu)勢(shì)。

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(fù)雜的器官結(jié)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)低粘度生物墨水（如膠原、纖維蛋白等細(xì)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(xiàn)有生物 *D 打印技術(shù)仍然難以同時(shí)構(gòu)建具有復(fù)雜宏觀結(jié)構(gòu)和可精細(xì)調(diào)控的微觀結(jié)構(gòu)。

圖丨左：熊卓，右：方永聰（來(lái)源：熊卓）

基于此，清華大學(xué)機(jī)械系熊卓副教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型逐級(jí)懸浮 *D 打印（Sequential Printing in a Reversible Ink Template，簡(jiǎn)稱 SPIRIT）技術(shù)，能夠快速打印、并精準(zhǔn)調(diào)控具有復(fù)雜外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)的組織器官的微觀結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建出含分級(jí)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(yī)學(xué)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。熊卓表示，這項(xiàng)研究將宏微尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

審稿人指出，該研究對(duì)生物制造的領(lǐng)域發(fā)展具有重要的貢獻(xiàn)，提供了一種全新的生物 *D 打印手段，有效拓展了現(xiàn)有 *D 打印工藝的技術(shù)邊界。

該團(tuán)隊(duì)利用 SPIRIT 技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了打印“栩栩如生”的心室模型。該技術(shù)在體外重現(xiàn)人體器官的復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)上，具有突出的優(yōu)勢(shì)，為體外人造器官的功能重建奠定基礎(chǔ)，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(xiàn)復(fù)雜器官的“快打印”，為提高打印活性和未來(lái)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用做好充分準(zhǔn)備。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）

近日，相關(guān)論文以《通過拓展懸浮生物 *D 打印能力構(gòu)建含自由血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)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(jī)械工程系方永聰助理研究員，通訊作者為清華大學(xué)機(jī)械工程系熊卓副教授。

用微凝膠雙相生物墨水的設(shè)計(jì)策略，助力 SPIRIT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

研究的起點(diǎn)要從 2020 年說(shuō)起。當(dāng)時(shí)方永聰剛從清華機(jī)械系博士畢業(yè)，進(jìn)入熊卓團(tuán)隊(duì)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(duì)復(fù)雜器官打印構(gòu)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(xì)節(jié)以及潛在應(yīng)用。

熊卓回憶道：“經(jīng)過深入討論，SPIRIT 技術(shù)的名字浮現(xiàn)在腦海，其全稱很好地概括了技術(shù)特征，簡(jiǎn)稱展現(xiàn)出構(gòu)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(jí)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(rèn)為第二級(jí)打印不可避免會(huì)對(duì)第一級(jí)打印的結(jié)構(gòu)造成破壞。課題組經(jīng)過分析，認(rèn)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，他們開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在前期工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，目前大部分生物材料均難以滿足 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(shè)計(jì)策略。

圖丨載細(xì)胞 MB 生物墨水的表征和生物 *D 打?。▉?lái)源：Advanced Materials）

經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，該材料在較寬的溫度范圍，呈現(xiàn)出剪切稀化、自愈合水平高、光交聯(lián)快速的優(yōu)勢(shì)，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(xiàn)。

當(dāng)拿到打印結(jié)構(gòu)優(yōu)異的力學(xué)測(cè)試結(jié)果時(shí)，課題組敏銳地意識(shí)到這是一種超彈性、抗疲勞的材料體系，在組織器官構(gòu)建方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。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(yàn)進(jìn)展便順利了很多。經(jīng)過了長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的逐級(jí)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(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)的心室結(jié)構(gòu)?！翱吹竭@個(gè)結(jié)果，課題組成員都非常興奮。”熊卓說(shuō)。

致力于復(fù)雜組織器官的生物 *D 打印，邁向“重塑完美，栩栩如生”

作為全球最早開展生物 *D 打吉印通究的單位之一，目前，清華大學(xué)機(jī)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(yàn)室、生物制造與體外生命系統(tǒng)工程交叉學(xué)科創(chuàng)新引智基地（“111”基地）等科研平臺(tái)。

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 打印）技術(shù)拓展到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。2004 年，他主持了首個(gè)細(xì)胞 *D 打印方向的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，是最早在該領(lǐng)域開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(xì)胞三維打印方法構(gòu)建組織器官。目前，該方法仍是主流的細(xì)胞 *D 打印方法。他們構(gòu)建了基于細(xì)胞受控組裝的生物制造工程理論與技術(shù)框架體系，提出了通過細(xì)胞直接受控組裝和細(xì)胞間接受控組裝構(gòu)建組織器官的技術(shù)路線。

多年來(lái)，熊卓團(tuán)隊(duì)致力于復(fù)雜組織器官的生物 *D 打印構(gòu)建，秉承著“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(jù)介紹，其發(fā)明的低溫沉積制造工藝，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于組織工程支架成形。并且，還發(fā)明了多種細(xì)胞 *D 打印工藝，多款設(shè)備已實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)。

移植器官短缺是全球性普遍難題之一。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，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 人在等待器官的過程中死亡。隨著基因工程、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(nèi)的人類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(guó)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(yù)示著異種器官移植還要經(jīng)過“漫漫長(zhǎng)路”。

替代性組織/器官的體外重建是生物制造與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的圣杯，最近年來(lái)也吸引了無(wú)數(shù)研究者在該領(lǐng)域深度探索。

隨著生物材料、干細(xì)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(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了驚人的進(jìn)展和成就，相信復(fù)雜組織/器官的體外重建和替代修復(fù)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(yīng)用，比如將 SPIRIT 技術(shù)應(yīng)用于打印構(gòu)建具有復(fù)雜流道和電極網(wǎng)絡(luò)的柔性電子器件。

人體器官具有復(fù)雜的多脈管系統(tǒng)，以心臟為例，除了血管系統(tǒng)，還有傳導(dǎo)系統(tǒng)?！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(xiàn)打印心室的功能成熟，應(yīng)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).