近日，清华大学机械系熊卓副教授、张婷副研究员课题组研发了一种逐级悬浮3D打印（Sequential Printing in a Reversible Ink Template，简称SPIRIT）技术，能够实现具有复杂外部结构和内部血管网络的组织器官快速构建，并成功打印了含可灌注血管网络的心室模型，有效拓展了常规挤出3D打印的技术边界，有望加速工程化组织器官在医学领域的转化应用。复杂组织/器官的体外功能化重建是生物制造与再生医学领域长期以来的努力目标。近年来，生物3D打印技术迅猛发展，通过活细胞和生物材料的精确组装，在复杂组织和器官构建方面具有巨大的优势。然而，现有的生物3D打印技术仍存在一定的局限性。以心脏构建为例，现有技术虽然可以打印构建复杂的心脏腔室结构，但难以重现对心脏功能具有重要作用的心血管系统及其他脉管系统（如心脏电传导系统和神经系统），使得打印的心脏模型徒具有外形，缺乏内在的“灵魂（SPIRIT）”，无法发挥真正的心脏功能。因此，亟需开发一种新型生物3D打印工艺，以实现复杂器官的外部几何结构（对应心脏“腔室结构”）和内部精细特征（对应心脏“脉管系统”）的耦合构建。该研究开发的SPIRIT技术正是为了解决该挑战，通过在打印复杂器官结构的同时耦合构建血管网络，主要包括：第一级打印，在悬浮介质中打印生物墨水，获得组织和器官的复杂外部结构；第二级打印，将牺牲墨水打印到初次打印但未交联的结构中，获得自由形态的血管网络；原位交联使打印结构定型，同时通过去除悬浮介质和牺牲墨水获得含自由血管网络的复杂器官。该技术的关键在于使用一种能够同时作为打印墨水和悬浮介质的生物材料。因此，该研究采用了课题组前期开发的微凝胶双相生物墨水，其在较宽的温度范围内表现出良好的剪切稀化、自愈合以及快速光交联特性，是理想的“墨水材料”。利用SPIRIT技术，成功打印构建了含可灌注血管网络的心室模型，这是现有生物3D打印技术所无法实现的。此外，SPIRIT技术能够显著缩短复杂器官的打印时间，有助于提高打印活性，同时兼容现有的材料体系，为复杂器官的体外打印构建提供了新的解决思路。通过SPIRIT技术打印构建含分级血管网络的心室模型近日，研究成果以“通过拓展悬浮生物3D打印能力构建含自由血管网络的复杂器官”（Expanding Embedded 3D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks）为题被材料领域知名期刊《先进材料》（Advanced Materials）正式录用并在线发表。论文第一作者为清华大学机械系方永聪助理研究员，通讯作者为清华大学机械系熊卓副教授，论文作者还包括清华大学机械系孙伟教授、张婷副研究员、2020级硕士生郭依涵、2022级博士生吴炳炎等。该研究得到国家自然科学基金联合基金重点项目、清华大学人才引进启动经费基金、国家重点研发计划项目和中国博士后科学基金特别资助等的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202205082
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