將各種功能細胞注入打印機精準構建復層空腔組織，這是科學創(chuàng)意還是現(xiàn)實？近日，上海交通大學醫(yī)學院附屬仁濟醫(yī)院整形外科皮慶猛博士在國際生物材料頂級雜志Advanced Materials（最新影響因子21.95）在線發(fā)表題為“多層環(huán)狀組織的數(shù)字可調(diào)微流控生物打印”（Digitally Tunable Microfluidic Bioprinting of Multilayered Cannular Tissues.）的研究論文，揭示3D生物打印已經(jīng)實現(xiàn)空腔組織打印且打印后細胞能夠長期存活。

該研究通過采用自行研發(fā)的同軸多通道生物打印系統(tǒng)（MCCES）可調(diào)控性構建復雜空腔組織設計理念，實現(xiàn)了不同亞層結構一次性同步準確打印構建的設想。該研究系統(tǒng)有望用于實現(xiàn)復雜空腔組織或器官的精準構建，尤其對需要空腔器官或組織移植的病人，是一種新的獲取供體的形式。此外，該研究成果有望用于體外血管、腸道、泌尿系統(tǒng)等空腔臟器疾病模型模擬、藥物篩選、組織移植替代物等諸多領域。論文第一作者為仁濟醫(yī)院整形外科皮慶猛，哈佛大學醫(yī)學院Yu Shrike Zhang教授及加州大學洛杉磯分校Ali Khademhoseini教授為共同通訊作者。

3D生物打印難在哪里？皮慶猛介紹，生物打印需要考慮非常多的因素，比如：打印材料的細胞相容性、力學強度、材料毒性、打印可塑性、孔隙率、降解速率等等。相對于一般實體組織，空腔組織構建更為復雜，不僅要求多細胞成分，還涉及到不同亞層細胞類型不同、功能不同等，這導致構建時細胞如何精確排列、空腔如何維持等諸多問題，使得打印構建面臨更多挑戰(zhàn)。該研究證實3D生物打印通過新型設計系統(tǒng)，快速、精準、個性化構建含有不同功能細胞的血管、尿道等復層空腔組織，組織結構清晰。

皮慶猛比喻，打印實體組織相當于烤一個實心的面包，打印復層的空腔組織，相當于烤一個空心的面包，這個空心還要分不同的夾層，可以一層奶油一層藍莓醬，也可以一層芝士一層草莓醬，層與層緊緊貼合又彼此分開。相對于一般的3D打印，生物打印需要全過程控制細胞活力，保護細胞不受傷害；其次空腔內(nèi)的不同功能細胞在各個層面能夠均勻分布，更符合人體正常結構。

研究人員還證實，通過控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)單層結構、雙層結構在同一根管腔結構反復切換的設想。將血管細胞（內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞）、尿道細胞（上皮細胞、平滑肌細胞）分別與復合水凝膠混合后，利用MCCES打印復層管腔組織，體外培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，細胞活力在80%以上，細胞在水凝膠支架材料上可以充分鋪展生長，表達血管內(nèi)皮細胞（CD31/VE-Cadherin)和血管平滑肌細胞（SMA）等特異標志物。

據(jù)悉，仁濟醫(yī)院皮慶猛團隊長期致力于3D生物打印、水凝膠、干細胞與組織工程等研究組織再生，在Advacned Materials、JoVE、RCS Advances等期刊發(fā)表10篇論文。此次在《Advanced Materials》發(fā)表的研究成果填補了國內(nèi)空白，預示我國3D生物打印技術正逐步與世界接軌，將為國內(nèi)同行以及相關領域帶來廣闊的應用空間。