机械系研发SPIRIT逐级悬浮打印技术，让3D打印复杂器官有形更有“魂”！

组织/器官的体外功能化重建是生物制造领域长期以来的努力目标；然而，组织器官的外部复杂结构和内部精细特征（如血管等）的耦合构建仍极具挑战。为解决该难题，清华大学熊卓、张婷课题组（BRE团队）提出了一种逐级悬浮3D打印技术（Sequential Printing in a Reversible Ink Template, 简称SPIRIT），相关成果近期以“Expanding Embedded 3D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks”为题发表在材料领域顶刊Advanced Materials上。利用前期工作中开发的兼具剪切稀化和自愈合特性的微凝胶双相（MB）生物墨水，SPIRIT技术通过将MB生物墨水在多级打印阶段分别用作可打印墨水和悬浮介质，成功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。SPIRIT技术有效拓展了常规挤出3D打印的技术边界，能够实现具有复杂宏观结构和精细血管的组织器官快速构建，有望加速工程化组织器官在医学领域的转化应用。

本文第一作者为清华大学机械系生物制造中心方永聪助理研究员，通讯作者为清华大学机械系生物制造中心副主任熊卓教授。清华大学机械系生物制造中心主任孙伟教授、张婷副教授及硕士生郭依涵、博士生吴炳炎等共同参与了本研究工作。该研究获得了国家自然科学基金联合基金重点资助项目(U21A20394)，清华大学人才引进启动经费基金(53330200321)，国家重点研发计划项目(2018YFA0703004）和中国博士后科学基金站前资助 (2021TQ0184)等项目支持。

组织/器官的体外功能化重建是生物制造领域的难题之一，而生物3D打印技术凭借精确地逐层堆积生物材料的能力，引起了人们的极大兴趣。考虑到水凝胶的力学性能较差，悬浮生物3D打印技术受到了越来越多的关注。简单来说，悬浮介质具有独特的剪切稀化和自愈特性，在屈服应力下呈流态，在无应力下呈固态，能够支撑生物墨水的自由成形，而悬浮介质可以通过清洗或升温的方式被去除。例如，卡耐基梅隆大学的研究人员开发一种FRESH技术，可以将一个全尺寸的人类心脏模型悬浮打印到明胶微粒介质中。除了外部结构的复杂性外，构建功能化组织/器官的另一个障碍是缺乏分级血管网络，限制了氧和营养物质的传递。牺牲模板技术和多材料打印技术被广泛应用于在组织结构中构建复杂的血管网络，近年来，悬浮生物3D打印同样被用来打印具有更高仿生度的血管网络。具体来说，将牺牲性墨水悬浮打印至负载细胞的悬浮介质，打印后将牺牲墨水溶出得到中空通道。例如，哈佛大学研究人员提出的SWIFT技术通过，通过将明胶牺牲墨水悬浮打印至类器官悬浮介质中，去除明胶后得到可灌注的血管网络。总结而言，FRESH技术能够构建复杂外形，但很难成型血管网络等内部结构；SWIFT技术能够构建具有接近生理细胞密度的血管化组织，然而组织形状在很大程度上受到容器的限制，很难复现天然组织和器官的外部结构。

因此，亟需开发一种新的3D打印工艺，以实现复杂组织器官的外部几何特征和内部结构的耦合成形。为实现该目的，BRE团队提出了逐级悬浮生物3D打印技术（称为SPIRIT技术），至少包括i）在悬浮介质中打印生物墨水，得到组织和器官的复杂外部结构；iii）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；iii）原位交联，去除悬浮介质和牺牲墨水等步骤。SPIRIT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，该团队采用了前期工作开发的载细胞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、自愈合以及快速原位光交联能力，适合于SPIRIT打印技术。

        本研究开发了一种新型逐级悬浮生物3D打印（SPIRIT）技术，能够实现外部复杂结构和内部精细特征的耦合打印构建，并首次打印了一个具有复杂血管网络的心室结构，其具有良好的灌注性和收缩性能。此外，SPIRIT技术能够缩短打印时间，很好地兼容现有的悬浮介质和牺牲墨水体系，并可拓展到其他具有剪切稀化和自愈合特性的水凝胶墨水（如超分子水凝胶），为复杂组织/器官的体外功能重建提供了新的解决方案。

论文链接: https://doi.org/10.1002/adma.202205082