中科院、清华等提出“六轴细胞3D打印机”，心肌组织可体外存活超6个月

生物3D打印技术利用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。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。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。

研究团队的六轴生物3D打印机

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教授团队、清华大学刘永进教授团队联合攻关，于近日发表在生物材料领域顶级期刊《Bioactive Materials》上。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。

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。

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。