六軸機器人生物3D打印機打印心臟組織

供稿人：連偉龍，連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　


盡管近年來在人工組織和器官工程方面取得了一些進展，但如何制造大尺寸的、可行的和功能復雜的器官仍然是再生醫(yī)學面臨的一個重大挑戰(zhàn)。生物3D打印技術(shù)是最有希望實現(xiàn)體外制造人類器官的新興技術(shù)之一，但在復雜器官生產(chǎn)中，其在血管生成和細胞功能保存方面仍面臨困難。為此，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所王秀杰團隊與英國曼徹斯特大學教授王昌凌團隊、清華大學教授劉永進團隊合作，創(chuàng)造性地將六軸機器人改造成為生物3D打印機--六軸機器人生物3D打印機，實現(xiàn)了360°全方位任意角度細胞打印；并且開發(fā)了油浴細胞打印體系，以更好地保持細胞打印后的自然功能，如圖1所示。結(jié)合自行設計的生物反應器和重復的打印培養(yǎng)策略，生物打印系統(tǒng)能夠生成血管化的、可收縮的、長期存活的心臟組織，為復雜器官的體外制造提供了一個有前途的解決方案。

圖1 六軸機器人生物3D打印機示意圖

研究人員應用六軸機器人解決了目前生物3D打印過程中只能在水平和豎直方向上逐層打印細胞的限制，并且利用油性打印環(huán)境與水性生物油墨之間的疏水性，保證打印細胞附著在支架上，這種油浴細胞打印系統(tǒng)不僅最大限度地保持了細胞活性（細胞存活率高于98%），還促進了血管網(wǎng)絡的形成。

圖2 人造血管（左側(cè)及中央，綠色表示血管內(nèi)皮細胞）以及血管化心肌組織圖（右側(cè)，綠色表示心肌組織，紅色表示血管網(wǎng)絡）

研究人員通過血管支架持續(xù)灌注的培養(yǎng)基為打印細胞提供營養(yǎng)，使血管支架的外層和內(nèi)層細胞都能夠獲得營養(yǎng)供應。并且通過重復的打印和培養(yǎng)過程，以及在灌注介質(zhì)中添加血管生成因子，促進了血管生成和打印血管和心臟組織中的血管生成，如圖2所示。 該研究通過六軸機器人生物3D打印技術(shù)制造一塊血管化的心臟組織，實現(xiàn)了在復雜形狀的血管支架上同時對多種細胞進行生物打印，證明了在體外生成大規(guī)模和功能性人工組織/器官的可行性。

參考文獻：張澤宇，吳晨明，戴成凱，等。 一種支持自然細胞功能保存和心臟組織制造的多軸機器人生物打印系統(tǒng)[J]. 生物活性材料，2022.with machine learning for add-made RF devices, Additive Manufacturing, ISSN 2214-860