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，将六轴协作机械臂改造成生物3D打印机，并打印出具有毛细血管网络、能够在体外存活并维持搏动超过6个月的心肌组织，并登上了生物材料领域顶级期刊。

根据世界卫生组织（WHO）统计，每年因为心血管疾病致死数高达1790万，成为全球范围内致死的首要原因。

通常，心脏移植是治疗晚期心脏病患者的一项重要选择。但根据世卫组织报告披露，每年在全球范围内，只能开展约3500例心脏移植手术。因此，缓解心脏移植手术难以开展的难题，需要保证重要器官的可持续供给。

生物3D打印（3D Bioprinting）作为目前最有希望实现在体外制造人类器官的新兴技术之一，不少科研机构相继成功开发了可用于3D打印功能齐全的人体心脏的生物墨水。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。

这一突破，之前几乎一直被视为不可能的任务。

中国团队3D打印“有血有肉的心脏”

为解决上述难题，清华大学、曼切斯特大学以及我国中科院的顶级科学家，利用3D打印技术，采集人体的血液、心肌细胞，利用3D医学技术，合成了一个“有血有肉的心脏”。

虽然这是利用3D打印出来的一颗人工合成的心脏，但它有“血”（毛细血管网络）有“肉”（心肌细胞），有规律搏动，还能在体外存活高达6个月！！！

可以说，这项技术完全突破了传统生物3D打印技术的平层，给复杂组织器官的体外制造提供了一种更便捷可行的解决方案。

相关研究结果近日发表于生物材料领域顶级期刊《Bioactive Materials》上。

这项突破到底是如何实现的呢？

其实，团队在研发的过程中也遇到了一系列难题。比如，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。而这种“盖房子”的打印过程并不能让细胞和血管网络更好的融合。

而细胞和血管无法“相亲相爱”的结果，导致了打印后的细胞缺少营养供给而难以长时间存活，俗称：go die。

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。

利用双臂协作机器人实现生物打印

为解决上述一系列难题，团队的研究者们提出利用双臂协作机器人实现生物打印。

这个协作机械臂具有6个可以360度自由转动的关节，理论上可在空间内的任意角度进行细胞打印。

同时为避免生物材料固定给细胞带来负面影响，团队还开发了油浴细胞打印体系，即在矿物油的疏水作用力下，这样打印出来的细胞就可以不受重力影响而稳定地贴附在生物支架的任意表面，和生物支架以及周边细胞紧紧“相拥”。

结合这两种新开发（niu  bi）的体系，研究团队实现了在复杂血管支架上进行细胞全方位打印，打印的细胞具有与人工操作相同的存活率（>98%），且具有正常的细胞周期和生理功能。

通俗的来说就是，研究人员们打印出的这颗心脏，与我们人类正常的心脏，在细胞存活率等方面，达到了98%的高度吻合。

不仅如此，团队还进一步从组织器官发育的角度出发，设计了循环式“打印—培养”的器官制造方案，在血管支架上打印若干层细胞后，将其进行一段时间的共培养以诱导打印细胞间形成具有功能的胞间连接和新生毛细血管，然后进行新一轮细胞打印。

重复这一“打印—培养”过程，可使打印组织内部形成与体内器官类似的血管网络，从而支持打印组织器官的长期存活。实现了在复杂血管支架上进行细胞全方位打印。

应用这一技术和方案，合作团队在血管支架上开展了血管内皮细胞和心肌细胞打印实验。

结果显示，六轴机器人生物打印机结合油浴细胞打印体系可在复杂血管支架上打印完整的内皮层，并且可在新生血管因子的辅助下生长出新血管和毛细血管网络；打印的心肌细胞能够在短时间内形成间隙连接，恢复并长时间维持规律性搏动。

利用六轴机器人生物打印机低成本、高拓展性等优点，团队还进一步建立了由两个六轴机器人组成的协作打印平台，实现了在复杂血管支架上快速而有序地协同打印多种类型细胞。

一种更加可行的解决方案

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更加可行的解决方案。

可以说，此项研究，是人体生命学、医学、科技三大科技领域的超级重大突破！

虽然现在距离真正临床应用，还有一定距离。但毫无疑问，随着现在的医学、科技的不断进步，人类的秘密正一个接一个的被科学家慢慢揭开。

作者介绍

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。

相关论文：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.02.009

来源：中国团队“六轴细胞3D打印机”登顶刊！心肌组织可体外存活超6个月