摘要：“一花一世界、一葉一菩提”蘊含的是東方的世界觀，“There is plenty of room at the bottom”是科學家費曼對微納制造能力的暢想。這幾年我們一直在想，是否有可能在一個微小空間里構造出復雜的活性結構，并加以體外培養(yǎng)構造出迷你組織？迷你組織有很多應用，諸如其細胞注射治療更好的替代方案、藥物篩選的理想器官模型、實驗室內研究組織發(fā)育的工具等。由于水凝膠是典型軟材料，高精度制造一直是業(yè)界難點，此外多細胞在微小的空間內的高效操縱更是一個挑戰(zhàn)。受限于現(xiàn)有制造工藝的分辨率以及三維成型能力，想要在有限的微尺寸中重建人體組織異質微結構目前仍缺乏有效方法。經(jīng)過近三年的研究，本課題組發(fā)明了一種在微球內打印活性結構，構造迷你組織的生物3D打印方法，能在微球內制造出螺旋面、玫瑰花、太極等復雜三維結構。基于本方法，我們在骨髓間充質干細胞微球中打印出內皮螺旋結構，建立了帶螺旋形血管的成骨類器官，為體外重建復雜類器官提供了新的思路。

人造組織/器官對于研究人體組織發(fā)展和病變以及器官移植具有十分重要的研究意義。如今，隨著人體類器官在體外模型中得到越來越廣泛的應用，實驗人員對模型的空間異質性以及結構功能性提出了越來越高的要求。異質凝膠微球的出現(xiàn)為這項研究提供了新的技術路線。異質凝膠微球在多組分、形態(tài)可控、使用方便等方面具有獨特的優(yōu)勢，目前已經(jīng)在組織工程、藥物釋放、生物探針以及再生醫(yī)學等科學領域取得了重要發(fā)展，并演化出了核殼結構、多組分分區(qū)結構等各種形態(tài)。但已有的制造工藝無法可控制造出具有高成型分辨率、三維分布可控的異質凝膠微球，也就無法重建復雜的體外人體組織。

課題組提出了一種基于微噴頭的異質螺旋凝膠微球的三維打印工藝，首次實現(xiàn)了諸如球面螺旋、太極圖案、玫瑰花圖案等復雜形態(tài)，并大大提高了細胞組分凝膠在微球內的打印精度，實現(xiàn)了單細胞螺旋線排列。該方法采用基于多通道微流控芯片的微噴頭，將含有不同細胞組分的水凝膠通過精確注射產(chǎn)生比例可調的分區(qū)形凝膠液滴；同時通過位于噴頭底部的氣流噴頭產(chǎn)生可控氣流使液滴產(chǎn)生旋轉，使細胞在液滴內部按照螺旋結構排列。打印過程實現(xiàn)了多組分的比例調節(jié)以及氣流噴頭位置的在線監(jiān)測，分辨率高。和現(xiàn)有制造方法相比，其最大的特點是首次實現(xiàn)了三維結構的可控成型，并將成型精度提高到了單細胞分辨率。

人體組織具有多尺度的結構異質性，比較典型的為具有復雜形貌和功能的血管化組織。在傳統(tǒng)研究中，為了實現(xiàn)該類型組織的構建，通常采用組織支架進行細胞培養(yǎng)。然而由于其細胞分布以及結構形貌具有高度的自發(fā)性和隨機性，因此極大地限制了其應用。采用該研究提出的螺旋凝膠微球能夠很方便地進行體外微三維組織構建。該團隊采用同步包裹人體靜脈內皮細胞（HUVECs）和人體骨髓間充質干細胞（HUMSCs）的方式實現(xiàn)了在螺旋凝膠微球內細胞共培養(yǎng)微環(huán)境的構建。所采用的內皮細胞呈球面螺旋結構分布在間充質干細胞周圍，形象地模擬了人體骨組織微結構的生理特點。最后，在體外培養(yǎng)環(huán)境下分別實現(xiàn)了內皮細胞的血管化以及間充質干細胞的成骨化，初步實現(xiàn)了體外骨組織類器官的功能化構建。該研究在復雜三維共培養(yǎng)、再生醫(yī)學、組織工程等領域具有重要的意義。

圖 1. 氣流輔助異質螺旋微球類器官的成型工藝

圖 2. 小鼠成纖維細胞(L929)在螺旋凝膠微球內的包裹和增殖

圖 3.基于人體內皮細胞和骨髓間充質干細胞的共培養(yǎng)模型實現(xiàn)體外類器官的制造

圖 4. 基于該方法制造的螺旋異質凝膠微球

目前該成果已在WILLY旗下的SMALL期刊發(fā)表，被選為封底論文，通訊作者為浙江大學機械工程學院的賀永教授、機械工程學院的傅建中教授、基礎醫(yī)學院的歐陽宏偉教授。Airflow‐Assisted 3D Bioprinting of Human Heterogeneous Microspheroidal Organoids with Microfluidic Nozzle[J]. Small, 2018: 1802630.