专栏 l 中英科研团队联合攻关的”六轴生物3D打印”技术-金属3D打印工厂

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专栏 l 中英科研团队联合攻关的”六轴生物3D打印”技术

| 3DScienceValley · 2022/03/10

专栏 l 中英科研团队联合攻关的”六轴生物3D打印”技术

谷专栏是3D科学谷内容板块:谷前沿、谷透视、谷研究、谷专栏这四大板块之一。谷专栏基于3D科学谷愿景:贡献于制造业附加值创造,贡献于人类可持续发展。其目的是通过携手科研机构、科学家、企业研发与应用团队,与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。

最近,由中国科学院遗传与发育生物学研究所的王秀杰研究员、曼彻斯特大学的王昌凌教授和清华大学的刘永进教授带领的团队,在生物材料领域的《Bioactive Materials》期刊中发表了一篇题为‘A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication’的论文。

该研究提出了一种基于六轴机器人并且不依赖于生物材料固化的细胞打印新策略,从而实现了全角度细胞打印和打印后细胞的长期存活。本期谷.专栏将分享这一科研成果的主要内容。

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doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.02.009

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 循环式“打印-培养”方案

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“墨水”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[1-3]。

然而,目前的生物3D打印技术尚不能制造具有生理功能并且能够长期存活的复杂器官,这也是生物3D打印技术发展的一个瓶颈[4, 5]。

造成这一问题的主要原因是现有的生物3D打印机均只能在水平和竖直方向上逐层打印细胞,这种逐层累加的打印方式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时存活。

此外,为使打印后的细胞能够相互固定在一起,现有的生物3D打印技术均需在细胞中添加可固化的生物材料,这些生物材料的添加虽然可以短期固定细胞,但也会阻碍细胞间形成连接而影响细胞存活[4-6]。

为解决上述问题,中国科学院遗传与发育生物学研究所的王秀杰研究员团队与英国曼彻斯特大学王昌凌(Charlie C.L. Wang)教授团队、清华大学刘永进教授团队进行了联合攻关。

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doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.02.009

在该研究中,团队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),由于该打印机的每个轴都可以进行360°转动,所以理论上可以在空间中从任意角度进行细胞打印(图1)。

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图1. (A)六轴机器人生物打印系统(左侧)以及打印荧光细胞组成IGDB字母(右侧);(B)在复杂动脉支架上进行多角度细胞打印。

为避免生物固化材料对细胞活性的影响,团队设计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其他细胞形成紧密连接,从而使得在复杂血管支架上全方位打印细胞成为可能。

六轴机器人生物打印机通过油浴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。

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大与其内部血管网络生长相协同的规律,设计了循环式“打印-培养”的器官制造方案,即在灌注有细胞培养液或人造血液的血管网络支架上打印一层或多层细胞后,将血管支架和打印后的细胞共同培养一段时间,使得新打印的细胞间形成细胞连接和毛细血管后,再进行新一轮的细胞打印。重复这一“打印-培养”过程,则可使打印后的细胞间形成类似体内的血管网络,从而支持打印组织或器官的长期存活。

应用上述方案,团队利用六轴机器人生物打印机在血管支架上开展了血管内皮细胞和心肌细胞的打印实验,证明了循环式“打印-培养”方案能够在血管支架上制备完整的内皮细胞层,并且在生血管因子的辅助下生长出新血管和毛细血管网络(图2A);打印的心肌细胞可以在短时间内形成间隙连接(Gap Junction),恢复并长期维持规律性搏动。通过这种循环式「打印-培养」方案协同打印血管内皮细胞和心肌细胞,团队制造了具有毛细血管网络、能够在体外存活并维持搏动超过6个月的心肌组织(图2B)。

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图2. (A)在血管支架上打印的内皮细胞层可以形成毛细血管出芽;(B)协同打印血管内皮细胞与心肌细胞可以形成具有血管网络的心肌组织;(C)多机器人协作打印平台可以快速在复杂血管支架上打印不同细胞并使之形成特定排布模式。

研究团队进一步发挥六轴机器人生物打印机低成本、高拓展性等特点,构建了由两个六轴机器人组成的协作生物打印平台,实现了在复杂血管支架上快速、有序地协同打印多种类型细胞(图2C),表明该体系在制造具有复杂物理结构和多种细胞类型的人类组织器官方面的优势。

综上所述,王秀杰/王昌凌/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“油浴细胞打印体系”,提出了模拟器官发育过程的新型循环式”打印-培养”方案并证明了其在制造复杂器官方面的优势,打印制造了具有毛细血管网络并可长期存活的功能化心肌组织。

这一全新生物打印体系突破了传统生物3D打印技术的平层打印局限,为复杂组织器官的体外制造提供了一种新的可行性解决方案。

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l 作者

中科院遗传发育所王秀杰研究员、英国曼彻斯特大学王昌凌教授、清华大学刘永进教授为该研究的共同通讯作者。王秀杰团队博士研究生张泽宇和史庆庆博士,王昌凌团队戴澄恺博士以及刘永进团队吴陈铭博士为该研究的共同第一作者。

l 参考资料

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000743

[1] I. Matai, G. Kaur, A. Seyedsalehi, A. McClinton, C.T. Laurencin, Progress in 3D bioprinting technology for tissue/organ regenerative engineering, Biomaterials 226 (2020) 119536.

[2] S. Vijayavenkataraman, W.-C. Yan, W.F. Lu, C.-H. Wang, J.Y.H. Fuh, 3D bioprinting of tissues and organs for regenerative medicine, Advanced Drug Delivery Reviews 132 (2018) 296-332.

[3] M. Burke, B.M. Carter, A.W. Perriman, Bioprinting: uncovering the utility layer-by-layer, Journal of 3D Printing in Medicine 1(3) (2017) 165-179.

[4] A.N. Leberfinger, S. Dinda, Y. Wu, S.V. Koduru, V. Ozbolat, D.J. Ravnic, I.T. Ozbolat, Bioprinting functional tissues, Acta Biomaterialia 95 (2019) 32-49.

[5] C. Mandrycky, Z. Wang, K. Kim, D.-H. Kim, 3D bioprinting for engineering complex tissues, Biotechnology Advances 34(4) (2016) 422-434.

[6] Z. Zhang, X.-J. Wang, Current progresses of 3D bioprinting based tissue engineering, Quantitative Biology 5(2) (2017) 136-142.

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