清華新聞網(wǎng)2月22日電 近日，清華大學(xué)機(jī)械系熊卓副教授、張婷副研究員課題組研發(fā)了一種逐級(jí)懸浮3D打?。⊿equential Printing in a Reversible Ink Template，簡(jiǎn)稱(chēng)SPIRIT）技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)具有復(fù)雜外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)的組織器官快速構(gòu)建，并成功打印了含可灌注血管網(wǎng)絡(luò)的心室模型，有效拓展了常規(guī)擠出3D打印的技術(shù)邊界，有望加速工程化組織器官在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。
復(fù)雜組織/器官的體外功能化重建是生物制造與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的努力目標(biāo)。近年來(lái)，生物3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展，通過(guò)活細(xì)胞和生物材料的精確組裝，在復(fù)雜組織和器官構(gòu)建方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有的生物3D打印技術(shù)仍存在一定的局限性。以心臟構(gòu)建為例，現(xiàn)有技術(shù)雖然可以打印構(gòu)建復(fù)雜的心臟腔室結(jié)構(gòu)，但難以重現(xiàn)對(duì)心臟功能具有重要作用的心血管系統(tǒng)及其他脈管系統(tǒng)（如心臟電傳導(dǎo)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)），使得打印的心臟模型徒具有外形，缺乏內(nèi)在的“靈魂（SPIRIT）”，無(wú)法發(fā)揮真正的心臟功能。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種新型生物3D打印工藝，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜器官的外部幾何結(jié)構(gòu)（對(duì)應(yīng)心臟“腔室結(jié)構(gòu)”）和內(nèi)部精細(xì)特征（對(duì)應(yīng)心臟“脈管系統(tǒng)”）的耦合構(gòu)建。
SPIRIT技術(shù)特點(diǎn)
該研究開(kāi)發(fā)的SPIRIT技術(shù)正是為了解決該挑戰(zhàn)，通過(guò)在打印復(fù)雜器官結(jié)構(gòu)的同時(shí)耦合構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)，主要包括：第一級(jí)打印，在懸浮介質(zhì)中打印生物墨水，獲得組織和器官的復(fù)雜外部結(jié)構(gòu)；第二級(jí)打印，將犧牲墨水打印到初次打印但未交聯(lián)的結(jié)構(gòu)中，獲得自由形態(tài)的血管網(wǎng)絡(luò)；原位交聯(lián)使打印結(jié)構(gòu)定型，同時(shí)通過(guò)去除懸浮介質(zhì)和犧牲墨水獲得含自由血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜器官。
該技術(shù)的關(guān)鍵在于使用一種能夠同時(shí)作為打印墨水和懸浮介質(zhì)的生物材料。因此，該研究采用了課題組前期開(kāi)發(fā)的微凝膠雙相生物墨水，其在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的剪切稀化、自愈合以及快速光交聯(lián)特性，是理想的“墨水材料”。利用SPIRIT技術(shù)，成功打印構(gòu)建了含可灌注血管網(wǎng)絡(luò)的心室模型，這是現(xiàn)有生物3D打印技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。此外，SPIRIT技術(shù)能夠顯著縮短復(fù)雜器官的打印時(shí)間，有助于提高打印活性，同時(shí)兼容現(xiàn)有的材料體系，為復(fù)雜器官的體外打印構(gòu)建提供了新的解決思路。
通過(guò)SPIRIT技術(shù)打印構(gòu)建含分級(jí)血管網(wǎng)絡(luò)的心室模型
近日，研究成果以“通過(guò)拓展懸浮生物3D打印能力構(gòu)建含自由血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜器官”（Expanding Embedded 3D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks）為題被材料領(lǐng)域知名期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）正式錄用并在線(xiàn)發(fā)表。
論文第一作者為清華大學(xué)機(jī)械系方永聰助理研究員，通訊作者為清華大學(xué)機(jī)械系熊卓副教授，論文作者還包括清華大學(xué)機(jī)械系孫偉教授、張婷副研究員、2020級(jí)碩士生郭依涵、2022級(jí)博士生吳炳炎等。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、清華大學(xué)人才引進(jìn)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202205082
供稿：機(jī)械系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
