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。

六轴生物3D打印机在支架上打印心肌组织

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。

六轴生物3D打印机的工作过程

机器人平台可以将不同的生物墨水协同打印到复杂形状的支架上

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；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。

打印后第十天后，心肌细胞血管化

第 180 天检测到心肌细胞和内皮细胞

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，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。

除该研究之外，心脏组织的3D打印一直在进步，3D打印技术参考一直在进行跟踪报道。2019年，以色列特拉维夫大学研究人员宣布，他们用人类的脂肪组织，通过3D打印技术制作出了一颗“人造心脏”，虽然只是一个微缩版的原型，却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的完整心脏”。同年，来自瑞士和荷兰的研究团队采用体积3D打印技术，使用仅仅几秒钟时间就在含有干细胞的生物水凝胶内“雕刻”出了复杂的组织形状，并通过添加内皮细胞实现了组织血管化。2020年，明尼苏达大学研究团队开发了一种新型生物墨水，3D打印出了具有腔室、心室和血管结构的心脏，在体外培养了60天之后，具备了泵血功能。

以色列科学家3D打印血管化心脏

明尼苏达大学研究团队3D打印人类心脏具备泵血功能

在本研究中，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更加可行的解决方案。