我國科學家研發逐級懸浮打印技術

組織/器官的體外功能化重建是生物制造領域長期以來的努力目標。然而，組織器官的外部復雜結構和內部精細特征（如血管等）的耦合構建仍極具挑戰。近日，清華大學機械系熊卓副教授、張婷副研究員課題組研發了一種逐級懸浮3D打印（Sequential Printing in a Reversible Ink Template, 簡稱SPIRIT）技術，能夠實現具有復雜外部結構和內部血管網絡的組織器官快速構建，并成功打印了含可灌注血管網絡的心室模型，有效拓展了常規擠出3D打印的技術邊界，有望加速工程化組織器官在醫學領域的轉化應用。

相關研究成果于近日被材料領域知名期刊《先進材料》正式錄用并在線發表。

近年來，生物3D打印技術迅猛發展，通過活細胞和生物材料的精確組裝，在復雜組織和器官構建方面具有巨大的優勢。然而，現有的生物3D打印技術仍存在一定的局限性。

“以心臟構建為例，現有技術雖然可以打印構建復雜的心臟腔室結構，但難以重現對心臟功能具有重要作用的心血管系統及其他脈管系統，如心臟電傳導系統和神經系統，使得打印的心臟模型徒具有外形，缺乏內在的‘靈魂’，無法發揮真正的心臟功能。”熊卓表示，這就急需開發一種新型生物3D打印工藝，以實現復雜器官的外部幾何結構（對應心臟“腔室結構”）和內部精細特征（對應心臟“脈管系統”）的耦合構建。

課題組成員方永聰介紹，該研究開發的SPIRIT技術正是為了解決該挑戰，通過在打印復雜器官結構的同時耦合構建血管網絡，主要包括：第一級打印，在懸浮介質中打印生物墨水，獲得組織和器官的復雜外部結構；第二級打印，將犧牲墨水打印到初次打印但未交聯的結構中，獲得自由形態的血管網絡；原位交聯使打印結構定型，同時通過去除懸浮介質和犧牲墨水獲得含自由血管網絡的復雜器官。

該技術的關鍵在于使用一種能夠同時作為打印墨水和懸浮介質的生物材料。因此，該研究采用了課題組前期開發的微凝膠雙相生物墨水，其在較寬的溫度范圍內表現出良好的剪切稀化、自愈合以及快速光交聯特性，是理想的“墨水材料”。

“利用SPIRIT技術，成功打印構建了含可灌注血管網絡的心室模型，這是現有生物3D打印技術所無法實現的。此外，SPIRIT技術能夠顯著縮短復雜器官的打印時間，有助于提高打印活性，同時兼容現有的材料體系，為復雜器官的體外打印構建提供了新的解決思路。”研究者表示。