六轴机器人生物3D打印机打印心脏组织

供稿人：连伟龙，连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　


尽管近年来在人工组织和器官工程方面取得了一些进展，但如何制造大尺寸的、可行的和功能复杂的器官仍然是再生医学面临的一个重大挑战。生物3D打印技术是最有希望实现体外制造人类器官的新兴技术之一，但在复杂器官生产中，其在血管生成和细胞功能保存方面仍面临困难。为此，中国科学院遗传与发育生物学研究所王秀杰团队与英国曼彻斯特大学教授王昌凌团队、清华大学教授刘永进团队合作，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3D打印机，实现了360°全方位任意角度细胞打印；并且开发了油浴细胞打印体系，以更好地保持细胞打印后的自然功能，如图1所示。结合自行设计的生物反应器和重复的打印培养策略，生物打印系统能够生成血管化的、可收缩的、长期存活的心脏组织，为复杂器官的体外制造提供了一个有前途的解决方案。
 

图1 六轴机器人生物3D打印机示意图

研究人员应用六轴机器人解决了目前生物3D打印过程中只能在水平和竖直方向上逐层打印细胞的限制，并且利用油性打印环境与水性生物油墨之间的疏水性，保证打印细胞附着在支架上，这种油浴细胞打印系统不仅最大限度地保持了细胞活性（细胞存活率高于98%），还促进了血管网络的形成。
 

图2 人造血管（左侧及中央，绿色表示血管内皮细胞）以及血管化心肌组织图（右侧，绿色表示心肌组织，红色表示血管网络）

研究人员通过血管支架持续灌注的培养基为打印细胞提供营养，使血管支架的外层和内层细胞都能够获得营养供应。并且通过重复的打印和培养过程，以及在灌注介质中添加血管生成因子，促进了血管生成和打印血管和心脏组织中的血管生成，如图2所示。 该研究通过六轴机器人生物3D打印技术制造一块血管化的心脏组织，实现了在复杂形状的血管支架上同时对多种细胞进行生物打印，证明了在体外生成大规模和功能性人工组织/器官的可行性。

参考文献：张泽宇，吴晨明，戴成凯，等。 一种支持自然细胞功能保存和心脏组织制造的多轴机器人生物打印系统[J]. 生物活性材料，2022.with machine learning for add-made RF devices, Additive Manufacturing, ISSN 2214-860

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