生物 *D 打印（尤其是懸浮生物 *D 打印）是一類基于活細胞和生物材料的精確組裝技術，在復雜器官構建方面具有優勢。

借助于懸浮介質的支撐特性，懸浮生物 *D 打印技術不僅可以打印復雜的器官結構，還可以實現低粘度生物墨水（如膠原、纖維蛋白等細胞外基質材料）的 *D 打印成形，有助于促進打印組織的功能發育。

盡管科學家們付出了大量努力，但是現有生物 *D 打印技術仍然難以同時構建具有復雜宏觀結構和可精細調控的微觀結構。

圖丨左：熊卓，右：方永聰（來源：熊卓）

基于此，清華大學機械系熊卓副教授團隊研發了一種新型逐級懸浮 *D 打印（Sequential Printing in a Reversible Ink Template，簡稱 SPIRIT）技術，能夠快速打印、并精準調控具有復雜外部結構和內部血管網絡的組織器官的微觀結構。

該團隊成功構建出含分級血管網絡的仿生心室模型，有望加速生物 *D 打印器官在醫學領域的轉化應用。熊卓表示，這項研究將宏微尺度復雜結構進行一體化打印制造，推動生物 *D 打印技術走向一個新高度，并在柔性電子器件、軟體機器人、生物醫學等領域具有潛在的應用前景。

審稿人指出，該研究對生物制造的領域發展具有重要的貢獻，提供了一種全新的生物 *D 打印手段，有效拓展了現有 *D 打印工藝的技術邊界。

該團隊利用 SPIRIT 技術，首次實現了打印“栩栩如生”的心室模型。該技術在體外重現人體器官的復雜精細結構上，具有突出的優勢，為體外人造器官的功能重建奠定基礎，在未來“按需制造器官”道路上邁出了重要的一步。

更進一步地，SPIRIT 技術還可實現復雜器官的“快打印”，為提高打印活性和未來的轉化應用做好充分準備。

圖丨相關論文（來源：Advanced Materials）

近日，相關論文以《通過拓展懸浮生物 *D 打印能力構建含自由血管網絡的復雜器官》（Expanding Embedded *D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks）為題發表在 Advanced Materials 上[1]。

該論文第一作者為清華大學機械工程系方永聰助理研究員，通訊作者為清華大學機械工程系熊卓副教授。

用微凝膠雙相生物墨水的設計策略，助力 SPIRIT 技術實現

研究的起點要從 2020 年說起。當時方永聰剛從清華機械系博士畢業，進入熊卓團隊從事博士后研究工作。

在討論研究選題時，熊卓和方永聰決定針對復雜器官打印構建的關鍵難題發力，研發一種新的生物墨水體系和懸浮打印方法，兩人興奮地討論起技術細節以及潛在應用。

熊卓回憶道：“經過深入討論，SPIRIT 技術的名字浮現在腦海，其全稱很好地概括了技術特征，簡稱展現出構建組織器官有形又有‘魂’的美好愿景，一切是那么順理成章。”

圖丨逐級懸浮生物 *D 打印策略（來源：Advanced Materials）

該研究進行期間，也遭受到了很多人的質疑，認為第二級打印不可避免會對第一級打印的結構造成破壞。課題組經過分析，認為 SPIRIT 技術的關鍵在于尋找一種既能用作打印墨水、又能作為懸浮介質的生物材料。

2020 年底，他們開始進行實驗。在前期工作中，研究人員發現，目前大部分生物材料均難以滿足 SPIRIT 技術的打印要求。為此，課題組提出了微凝膠雙相生物墨水的設計策略。

圖丨載細胞 MB 生物墨水的表征和生物 *D 打印（來源：Advanced Materials）

經過相關實驗，該材料在較寬的溫度范圍，呈現出剪切稀化、自愈合水平高、光交聯快速的優勢，是理想的“墨水材料”。值得關注的是，該技術利用同一生物材料使其被用為打印墨水以及懸浮介質，而這在以往的研究中未曾實現。

當拿到打印結構優異的力學測試結果時，課題組敏銳地意識到這是一種超彈性、抗疲勞的材料體系，在組織器官構建方面具有獨特優勢。很快在 2021 年底，關于微凝膠雙相生物墨水的相關論文發表在 Advanced Functional Materials 上[2]。

有了微凝膠雙相墨水的加持，后面的實驗進展便順利了很多。經過了長達數月的逐級懸浮打印工藝摸索，該課題組終于在 2022 年初，成功地打印出一個含復雜血管網絡的心室結構。“看到這個結果，課題組成員都非常興奮。”熊卓說。

致力于復雜組織器官的生物 *D 打印，邁向“重塑完美，栩栩如生”

作為全球最早開展生物 *D 打吉印通究的單位之一，目前，清華大學機械系生物制造中心在顏永年教授、孫偉教授的帶領下，已建成生物制造與快速成形技術北京市重點實驗室、生物制造與體外生命系統工程交叉學科創新引智基地（“111”基地）等科研平臺。

熊卓副教授于 1*** 年進入生物制造這一新興的交叉學科研究領域，將快速成形（*D 打印）技術拓展到生物醫學領域。2004 年，他主持了首個細胞 *D 打印方向的國家自然科學基金項目，是最早在該領域開展工作的研究者之一。

2004 年，熊卓與顏永年等人首次提出擠出式細胞三維打印方法構建組織器官。目前，該方法仍是主流的細胞 *D 打印方法。他們構建了基于細胞受控組裝的生物制造工程理論與技術框架體系，提出了通過細胞直接受控組裝和細胞間接受控組裝構建組織器官的技術路線。

多年來，熊卓團隊致力于復雜組織器官的生物 *D 打印構建，秉承著“重塑完美，栩栩如生”的愿景，在生物 *D 打印、組織器官再生、體外疾病模型以及太空生物 *D 打印等方面收獲了系列研究成果。

據介紹，其發明的低溫沉積制造工藝，目前已經被廣泛應用于組織工程支架成形。并且，還發明了多種細胞 *D 打印工藝，多款設備已實現商品化生產。

移植器官短缺是全球性普遍難題之一。據世界衛生組織統計，全世界每年至少有 200 萬人需要器官移植，而器官供需比只有不足 *%，每天有 18 人在等待器官的過程中死亡。隨著基因工程、生物工程、免疫學等學科的進步，研究者在尋求包括異種器官移植和生物 *D 打印器官等在內的人類自身以外的器官供體。

近年來，異種器官移植領域收獲了許多重要進展。2022 年，美國馬里蘭大學首次將基因修飾豬的心臟移植到一位晚期心臟病患者，然而患者術后只存活了兩個月，這預示著異種器官移植還要經過“漫漫長路”。

替代性組織/器官的體外重建是生物制造與再生醫學領域的圣杯，最近年來也吸引了無數研究者在該領域深度探索。

隨著生物材料、干細胞、生物制造、組織工程等領域的交叉融合與發展突破，再生醫學領域取得了驚人的進展和成就，相信復雜組織/器官的體外重建和替代修復的夢想已不再“遙不可及”。

方永聰表示，接下來的工作會進一步探索 SPIRIT 技術在除組織再生外其他領域的應用，比如將 SPIRIT 技術應用于打印構建具有復雜流道和電極網絡的柔性電子器件。

人體器官具有復雜的多脈管系統，以心臟為例，除了血管系統，還有傳導系統。“未來，我們將進一步完善 SPIRIT 技術，打印出‘栩栩如生’的心臟模型，實現打印心室的功能成熟，應用于心臟疾病研究和藥物篩選，離‘重塑完美’更進一步。”熊卓說。

參考資料：

1.Yongcong Fang et al. Advanced Materials(202*).

2.Yongcong Fang et al. Advanced Functional Materials(2021).