3D生物打印有望实现复杂空腔组织或器官的精准构建

将各种功能细胞注入打印机，精确构建多层空腔组织，这是科学的想法还是现实？最近，上海交通大学医学院附属仁济医院整形外科的皮·孟卿博士在《先进材料(最新影响因子为21.95)管状组织》杂志上发表了题为“多层环形组织的数字可调微流控生物打印”的在线出版物。)研究论文揭示，3D生物打印已经实现了空腔组织打印，并且细胞在打印后可以存活很长时间。

本研究利用自行开发的同轴多通道生物打印系统(MCCES)可调式构建复杂腔体组织设计概念，实现了同时准确打印不同亚层结构的想法。该研究系统有望用于复杂空腔组织或器官的精确构建，特别是用于需要空腔器官或组织移植的患者，并且是获得供体的一种新形式。此外，该研究成果有望应用于体外血管、肠道、泌尿系统等中空器官疾病模型模拟、药物筛选、组织移植替代物等诸多领域。论文的第一作者是仁济医院整形外科的皮庆梦。哈佛医学院的于·施莱克·张教授和加州大学洛杉矶分校的阿里·哈登霍西尼尼教授是来文的共同作者。

3D生物打印的难点是什么？皮·孟卿说，生物印刷需要考虑许多因素，如细胞相容性、机械强度、材料毒性、印刷可塑性、孔隙率、降解速率等。与普通固体组织相比，空腔组织的构建更加复杂，不仅需要多细胞成分，还需要不同的细胞类型和不同的亚层功能。这就导致了许多问题，如如何在施工过程中准确地排列单元以及如何保持空腔，使得印刷施工面临更多的挑战。研究证实，通过新的设计系统，三维生物打印可以快速、准确、独立地构建包含不同功能细胞的多层中空组织，包括血管和尿道，具有清晰的组织结构。

皮庆梦比喻说，印刷固体组织相当于烘烤一个固体面包，印刷多层空腔组织，相当于烘烤一个空心面包，这个空心面包还分成不同的夹层，可以是一层黄油一层蓝莓酱，也可以是一层奶酪一层草莓酱，一层又一层紧密地连在一起，互相隔开。与普通3D打印相比，生物打印需要整个过程来控制细胞活力和保护细胞免受损伤。其次，空腔内不同的功能细胞可以均匀分布在各个层面，更符合人体的正常结构。

研究人员还证实，该控制系统可以实现在同一根管腔结构中重复切换单层结构和双层结构的思想。将血管细胞(内皮细胞、平滑肌细胞)和尿道细胞(上皮细胞、平滑肌细胞)分别与复合水凝胶混合后，使用MCCES印刷多层管腔组织。体外培养显示细胞活性在80%以上，细胞可在水凝胶支架材料上充分铺展和生长，表达血管内皮细胞(CD31/VE-Cadherin)和血管平滑肌细胞(SMA)等特异性标记。

据报道，仁济医院皮清蒙团队长期致力于三维生物打印、水凝胶、干细胞、组织工程等组织再生研究，并在Advacned Materials、JoVE、RCS Advantages等期刊发表论文10篇。发表在《先进材料》上的研究成果填补了国内空白，表明中国3D生物打印技术正在逐步与世界接轨，并将为国内同行及相关领域带来广阔的应用空间。

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adma.201706913