導讀： 最近，由中國科學院遺傳與發育生物學研究所的王秀傑研究員、曼徹斯特大學的王昌淩教授和清華大學的劉永進教授帶領的團隊，將六軸協作機械臂改造成生物3D印表機，並打印出具有毛細血管網絡、能夠在體外存活並維持搏動超過6個月的心肌組織，並登上了生物材料領域頂級期刊。
根據世界衛生組織（WHO）統計，每年因為心血管疾病致死數高達1790萬，
成為全球範圍內致死的首要原因。
通常，心臟移植是治療晚期心臟病患者的一項重要選擇。
但根據世衛組織報告披露，每年在全球範圍內，只能開展約3500例心臟移植手術。因此，
緩解心臟移植手術難以開展的難題，需要保證重要器官的可持續供給。
生物3D打印（3D Bioprinting）作為目前最有希望實作在體外制造人類器官的新興技術之一，不少科研機構相繼成功開發了可用於3D打印功能齊全的人體心臟的生物墨水。然而， 目前的生物3D打印技術尚不能制造具有生理功能並且能夠長期存活的復雜器官。
這一突破，之前幾乎一直被視為不可能的任務。
▍中國團隊3D打印「有血有肉的心臟」
為解決上述難題，清華大學、曼切斯特大學以及中國中科院的頂級科學家，利用3D打印技術，采集人體的血液、心肌細胞，利用3D醫學技術，合成了一個
「有血有肉的心臟」。
雖然這是利用3D打印出來的一顆人工合成的心臟，但它有「血」（毛細血管網絡）有「肉」（心肌細胞），有規律搏動，
還能在體外存活高達6個月！！！
可以說，
這項技術完全突破了傳統生物3D打印技術的平層，給復雜組織器官的體外制造提供了一種更便捷可行的解決方案。
相關研究結果近日發表於 生物材料領域頂級期刊【Bioactive Materials】上。
這項突破到底是如何實作的呢？
其實，團隊在研發的過程中也遇到了一系列難題。 比如，現有的生物3D印表機均只能在水平糊豎直方向上逐層打印細胞。而這種「蓋房子」的打印過程並不能讓細胞和血管網絡更好的融合。
比如這樣↓↓↓
而細胞和血管無法「相親相愛」的結果，導致了打印後的細胞缺少營養供給而難以長時間存活，俗稱：go die。
此外，為使打印後的細胞能夠相互固定在一起，現有的生物3D打印技術均需在細胞中添加可固化的生物材料，這些生物材料的添加雖然可以短期固定細胞，但也會阻礙細胞間形成連線而影響細胞存活。
▍利用雙臂協作機器人實作生物打印
為解決上述一系列難題， 團隊的研究者們提出利用雙臂協作機器人實作生物打印。
該我上場了↑↑↑
這個協作機械臂具有6個可以360度自由轉動的關節，理論上可在空間內的任意角度進行細胞打印。
同時為避免生物材料固定給細胞帶來負面影響，團隊還開發了
油浴細胞打印體系，
即在礦物油的疏水作用力下，這樣打印出來的細胞就可以不受重力影響而穩定地貼附在生物支架的任意表面，和生物支架以及周邊細胞緊緊「相擁」。
結合這兩種新開發（niu bi）的體系，
研究團隊實作了在復雜血管支架上進行細胞全方位打印，打印的細胞具有與人工操作相同的存活率（>98%），且具有正常的細胞周期和生理功能。
通俗的來說就是，研究人員們打印出的這顆心臟，與我們人類正常的心臟，在細胞存活率等方面，達到了98%的高度吻合。
不僅如此，團隊還進一步從組織器官發育的角度出發，設計了
迴圈式「打印—培養」的器官制造方案，
在血管支架上打印若幹層細胞後，將其進行一段時間的共培養以誘導打印細胞間形成具有功能的胞間連線和新生毛細血管，然後進行新一輪細胞打印。
重復這一「打印—培養」過程，可使打印組織內部形成與體內器官類似的血管網絡，從而支持打印組織器官的長期存活。
實作了在復雜血管支架上進行細胞全方位打印。
套用這一技術和方案，合作團隊在血管支架上開展了血管內皮細胞和心肌細胞打印實驗。
結果顯示，六軸機器人生物印表機結合油浴細胞打印體系可在復雜血管支架上打印完整的內皮層，並且可在新生血管因子的輔助下生長出新血管和毛細血管網絡；打印的心肌細胞能夠在短時間內形成間隙連線，恢復並長時間維持規律性搏動。
利用六軸機器人生物印表機低成本、高拓展性等優點， 團隊還進一步建立了由兩個六軸機器人組成的協作打印平台， 實作了在復雜血管支架上快速而有序地協同打印多種類別細胞。
▍一種更加可行的解決方案
綜上所述，王秀傑/王昌淩/劉永進合作團隊創造性地開發了
「六軸機器人生物印表機」和「油浴細胞打印體系」，
提出了模擬器官發育過程的
新型迴圈式「打印-培養」方案
並證明了其在制造復雜器官方面的優勢，打印制造了具有毛細血管網絡並可長期存活的功能化心肌組織。
這一全新生物打印體系突破了傳統生物3D打印技術的平層打印局限，為復雜組織器官的體外制造提供了一種更加可行的解決方案。
可以說，此項研究，是人體生命學、醫學、科技三大科技領域的超級重大突破！
雖然現在距離真正臨床套用，還有一定距離。但毫無疑問，隨著現在的醫學、科技的不斷進步，人類的秘密正一個接一個的被科學家慢慢揭開。
▍作者介紹
中科院遺傳發育所王秀傑研究員、英國曼徹斯特大學王昌淩教授、清華大學劉永進教授為該研究的共同通訊作者。
王秀傑團隊博士研究生張澤宇和史慶慶博士，王昌淩團隊戴澄愷博士以及劉永進團隊吳陳銘博士為該研究的共同第一作者。
相關論文： https:// doi.org/10.1016/j.bioac tmat.2022.02.009
