6自由度的全新機器人手臂，協(xié)同3D打印鑄造可以跳動的心肌組織

導(dǎo)讀：在生物打印領(lǐng)域，研究人員設(shè)計了全新的六運動自由度機器人手臂，配合生物3D打印功能，構(gòu)筑了可以跳動的心肌組織，這些體外構(gòu)架的心肌組織已經(jīng)成功連續(xù)跳動了6個月。

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▲機器人手臂結(jié)合3D細(xì)胞打印的示意圖

南極熊2022年2月26日獲悉，來自中國科學(xué)院的研究人員已經(jīng)設(shè)法克服了傳統(tǒng)3D打印方法在創(chuàng)建人造心臟組織的種種困難，結(jié)合6自由度的機器人手臂制造了具有生命力的心肌組織。這種新穎的3D打印方法不僅成功地制造了一種可行的血管類器官，而且在持續(xù)6個月中始終保持生命火星。這篇論文中文名為"一種基于機器人的多軸生物打印系統(tǒng)，支持自然細(xì)胞功能保存和心臟組織制造"，文章的摘要如下：

▲心肌組織的構(gòu)筑過程

盡管人工組織和器官工程近年來取得了極大的進(jìn)展，但如何產(chǎn)生大尺寸的功能復(fù)雜的體外器官仍然是再生醫(yī)學(xué)的一大挑戰(zhàn)。三維生物打印已經(jīng)證明了其制造簡單組織的能力和優(yōu)勢，但它在復(fù)雜器官生產(chǎn)中仍然難以產(chǎn)生脈管系統(tǒng)和保持細(xì)胞功能。在這里，我們通過將六自由度的機械臂結(jié)合生物打印機來克服傳統(tǒng)生物打印系統(tǒng)的局限性，從而能夠從各個方向在3D復(fù)雜形狀的血管支架上進(jìn)行細(xì)胞打印。我們還開發(fā)了一種基于油浴的細(xì)胞打印方法，以更好地保持打印后的細(xì)胞自然功能。結(jié)合自行設(shè)計的生物反應(yīng)器培養(yǎng)策略，我們的生物打印系統(tǒng)能夠自發(fā)產(chǎn)生血管，并且形成可收縮和長期存活的心臟組織。這種生物打印策略模仿了體內(nèi)器官的發(fā)育過程，并為復(fù)雜器官的體外制造提供了一種有前途的解決方案。

▲心肌組織的打印過程

典型的三維分層打印方法不適合創(chuàng)建復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)，因為堆疊通常會損壞細(xì)胞，而將它們粘合在一起的生物材料會阻止它們作為器官組織的功能。這就是為什么研究人員用六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對機械臂進(jìn)行了編程，從各個方向在支架上種植細(xì)胞，該過程幾乎沒有損傷，從而逐步產(chǎn)生血管內(nèi)皮細(xì)胞，直到形成新的毛細(xì)血管。不僅如此，他們還使用兩個這樣的機械臂同時將不同的細(xì)胞類型（如心肌細(xì)胞）種植在支架上，這是組織工程界的一大進(jìn)步。

▲油浴打印以及心肌組織的培養(yǎng)環(huán)境

通過應(yīng)用這種打印和分化策略，研究人員最終在管狀支架上制造了一塊血管化的心肌組織（長2厘米，厚度200-500μm，總面積～1.256 cm2），保持收縮至少6個月。我們在體外培養(yǎng)第30天和第180天對心臟組織進(jìn)行了組織學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在這兩個時間點都沒有明顯的組織損傷。此外，心肌細(xì)胞呈現(xiàn)良好的Z線橫紋排列，表明制造的心臟組織已經(jīng)發(fā)育并維持了完整的肌原纖維結(jié)構(gòu)，這是心臟收縮的生理基礎(chǔ)。

▲心肌組織的細(xì)胞形態(tài)