生物 3D 打印（尤其是悬浮生物 3D 打印）是一类基于活细胞和生物材料的精确组装技术，在复杂器官构建方面具有优势。借助于悬浮介质的支撑特性，悬浮生物 3D 打印技术不仅可以打印复杂的器官结构，还可以实现低粘度生物墨水（如胶原、纤维蛋白等细胞外基质材料）的 3D 打印成形，有助于促进打印组织的功能发育。尽管科学家们付出了大量努力，但是现有生物 3D 打印技术仍然难以同时构建具有复杂宏观结构和可精细调控的微观结构。基于此，清华大学机械系熊卓副教授团队研发了一种新型逐级悬浮 3D 打印（Sequential Printing in a Reversible Ink Template，简称 SPIRIT）技术，能够快速打印、并精准调控具有复杂外部结构和内部血管网络的组织器官的微观结构。该团队成功构建出含分级血管网络的仿生心室模型，有望加速生物 3D 打印器官在医学领域的转化应用。熊卓表示，这项研究将宏微尺度复杂结构进行一体化打印制造，推动生物 3D 打印技术走向一个新高度，并在柔性电子器件、软体机器人、生物医学等领域具有潜在的应用前景。审稿人指出，该研究对生物制造的领域发展具有重要的贡献，提供了一种全新的生物 3D 打印手段，有效拓展了现有 3D 打印工艺的技术边界。该团队利用 SPIRIT 技术，首次实现了打印“栩栩如生”的心室模型。该技术在体外重现人体器官的复杂精细结构上，具有突出的优势，为体外人造器官的功能重建奠定基础，在未来“按需制造器官”道路上迈出了重要的一步。更进一步地，SPIRIT 技术还可实现复杂器官的“快打印”，为提高打印活性和未来的转化应用做好充分准备。图丨相关论文（来源：Advanced Materials）该论文第一作者为清华大学机械工程系方永聪助理研究员，通讯作者为清华大学机械工程系熊卓副教授。用微凝胶双相生物墨水的设计策略，助力 SPIRIT 技术实现
研究的起点要从 2020 年说起。当时方永聪刚从清华机械系博士毕业，进入熊卓团队从事博士后研究工作。在讨论研究选题时，熊卓和方永聪决定针对复杂器官打印构建的关键难题发力，研发一种新的生物墨水体系和悬浮打印方法，两人兴奋地讨论起技术细节以及潜在应用。熊卓回忆道：“经过深入讨论，SPIRIT 技术的名字浮现在脑海，其全称很好地概括了技术特征，简称展现出构建组织器官有形又有‘魂’的美好愿景，一切是那么顺理成章。”图丨逐级悬浮生物 3D 打印策略（来源：Advanced Materials）该研究进行期间，也遭受到了很多人的质疑，认为第二级打印不可避免会对第一级打印的结构造成破坏。课题组经过分析，认为 SPIRIT 技术的关键在于寻找一种既能用作打印墨水、又能作为悬浮介质的生物材料。2020 年底，他们开始进行实验。在前期工作中，研究人员发现，目前大部分生物材料均难以满足 SPIRIT 技术的打印要求。为此，课题组提出了微凝胶双相生物墨水的设计策略。图丨载细胞 MB 生物墨水的表征和生物 3D 打印（来源：Advanced Materials）经过相关实验，该材料在较宽的温度范围，呈现出剪切稀化、自愈合水平高、光交联快速的优势，是理想的“墨水材料”。值得关注的是，该技术利用同一生物材料使其被用为打印墨水以及悬浮介质，而这在以往的研究中未曾实现。当拿到打印结构优异的力学测试结果时，课题组敏锐地意识到这是一种超弹性、抗疲劳的材料体系，在组织器官构建方面具有独特优势。很快在 2021 年底，关于微凝胶双相生物墨水的相关论文发表在 Advanced Functional Materials 上[2]。有了微凝胶双相墨水的加持，后面的实验进展便顺利了很多。经过了长达数月的逐级悬浮打印工艺摸索，该课题组终于在 2022 年初，成功地打印出一个含复杂血管网络的心室结构。“看到这个结果，课题组成员都非常兴奋。”熊卓说。致力于复杂组织器官的生物 3D 打印，迈向“重塑完美，栩栩如生”作为全球最早开展生物 3D 打印研究的单位之一，目前，清华大学机械系生物制造中心在颜永年教授、孙伟教授的带领下，已建成生物制造与快速成形技术北京市重点实验室、生物制造与体外生命系统工程交叉学科创新引智基地（“111”基地）等科研平台。熊卓副教授于 1999 年进入生物制造这一新兴的交叉学科研究领域，将快速成形（3D 打印）技术拓展到生物医学领域。2004 年，他主持了首个细胞 3D 打印方向的国家自然科学基金项目，是最早在该领域开展工作的研究者之一。2004 年，熊卓与颜永年等人首次提出挤出式细胞三维打印方法构建组织器官。目前，该方法仍是主流的细胞 3D 打印方法。他们构建了基于细胞受控组装的生物制造工程理论与技术框架体系，提出了通过细胞直接受控组装和细胞间接受控组装构建组织器官的技术路线。多年来，熊卓团队致力于复杂组织器官的生物 3D 打印构建，秉承着“重塑完美，栩栩如生”的愿景，在生物 3D 打印、组织器官再生、体外疾病模型以及太空生物 3D 打印等方面收获了系列研究成果。据介绍，其发明的低温沉积制造工艺，目前已经被广泛应用于组织工程支架成形。并且，还发明了多种细胞 3D 打印工艺，多款设备已实现商品化生产。移植器官短缺是全球性普遍难题之一。据世界卫生组织统计，全世界每年至少有 200 万人需要器官移植，而器官供需比只有不足 5%，每天有 18 人在等待器官的过程中死亡。随着基因工程、生物工程、免疫学等学科的进步，研究者在寻求包括异种器官移植和生物 3D 打印器官等在内的人类自身以外的器官供体。近年来，异种器官移植领域收获了许多重要进展。2022 年，美国马里兰大学首次将基因修饰猪的心脏移植到一位晚期心脏病患者，然而患者术后只存活了两个月，这预示着异种器官移植还要经过“漫漫长路”。替代性组织/器官的体外重建是生物制造与再生医学领域的圣杯，最近年来也吸引了无数研究者在该领域深度探索。随着生物材料、干细胞、生物制造、组织工程等领域的交叉融合与发展突破，再生医学领域取得了惊人的进展和成就，相信复杂组织/器官的体外重建和替代修复的梦想已不再“遥不可及”。方永聪表示，接下来的工作会进一步探索 SPIRIT 技术在除组织再生外其他领域的应用，比如将 SPIRIT 技术应用于打印构建具有复杂流道和电极网络的柔性电子器件。人体器官具有复杂的多脉管系统，以心脏为例，除了血管系统，还有传导系统。“未来，我们将进一步完善 SPIRIT 技术，打印出‘栩栩如生’的心脏模型，实现打印心室的功能成熟，应用于心脏疾病研究和药物筛选，离‘重塑完美’更进一步。”熊卓说。参考资料：
1.Yongcong Fang et al. Advanced Materials(2023). https://doi.org/10.1002/adma.202205082
2.Yongcong Fang et al. Advanced Functional Materials(2021). https://doi.org/10.1002/adfm.202109810