能够直接打印内部血管网络的新型细胞打印工艺

摘要：活性组织内遍布的各类血管是器官保持活性的根本，只有有效的加工出相似的血管网络才有可能实现营养的有效输送，确保3D打印后形成一个真正的活性器官。浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室傅建中教授团队经过一年多的研究探索，成功探索出了一种全新的细胞打印工艺，该工艺能在打印组织结构的同时打印出内部的营养输送通道，使得大尺寸器官3D打印成为可能。本细胞打印方法还可以广泛应用于片上器官、凝胶基微流控芯片、细胞传感器芯片、药物筛选芯片等领域。

在打印的组织中构建血管网络以运输营养一直是细胞打印领域的研究热点，常见的方法是先制造类似血管的流道结构，然后包覆在凝胶结构中，或者是基于牺牲工艺的流道构建技术。但是这些方法需要的工艺过程复杂，无法实现支架结构和流道网络的同时打印，难以在内部构造有效的流道，故无法解决大尺寸打印组织的后续培养问题。

浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室研究人员提出了一种全新的基于中空凝胶纤维融合工艺的细胞打印方法，实现了支架结构和流道网络的同时成形。通过课题组自行研发的三维打印机，利用同轴喷头制造出中空凝胶纤维，通过三维打印平台控制中空凝胶纤维的沉积位置以及控制凝胶反应的交联时序，使中空凝胶纤维融合一起形成具有内置流道的三维结构。课题组通过大量的工艺实验，系统解决了凝胶融合工艺；证实了融合后的凝胶结构强度适合于器官打印要求；并通过后续的细胞培养验证了营养通道的有效性。

本方法源之于偶然发现，课题组有一次在使用同轴喷头进行凝胶纤维挤出实验时无意中发现两条凝胶丝可以融合在一起，并具有一定的强度，随后的多次重复实验表明适当的凝胶交联时序能够复现这一现象。由于凝胶纤维内部中空，便于营养输送，课题组开始尝试基于中空凝胶纤维进行组织打印，经过近一年的实验，从原理、工艺到装备上证实了本方法的可行性。

本方法的优点有：

1、利用未完全反应的中空凝胶纤维融合原理，在打印三维生物结构的过程中可以实现支撑结构和内部流道的同时制造；

2、形成内部流道的工艺简单，不需要后处理工艺，有利于细胞存活；

3、利用溶胶-凝胶交联反应的程度来实现中空凝胶纤维线与线和层与层之间的融合。结合中空凝胶纤维的尺寸，通过控制线与线和层与层之间的距离便可以得到融合成一个整体的三维生物结构；

4、可以快速地制造尺寸较大的组织器官；

5、打印出的微流道可以作为一块完整的凝胶微流控芯片，进行各种大通量药物筛选等生化应用；

6、本工艺采用的是AB两种材料反应的模式，因而诸如纤维蛋白胶、壳聚糖等各种生物兼容性材料都可以采用本方法加载细胞打印出含流道网络的结构。

图1  营养通道同时成型的细胞打印工艺原理图

图2  基于中空凝胶纤维融合机理构建的流道网络结构（电镜图）

图3  打印出的含营养通道网络的二维及三维凝胶结构

图4  营养大分子在打印出的流道内可有效渗透

图5  营养流道的内外径和打印工艺间的关系

图6可打印参数区间的确定（各工艺参数对打印过程的影响）

图7  凝胶融合后强度表征

图8  打印的含细胞凝胶结构（绿色为活的细胞，红色为死去细胞）

图9 有无营养通道下细胞的活性对比

目前该成果已在Elsevier旗下的Biomaterials（IF=8.3）期刊发表，题为“Coaxial nozzle-assisted 3Dbioprinting with built-in microchannels for nutrients delivery”，DOI：10.1016/j.biomaterials.2015.05.031

22 Coaxial nozzle-assisted 3D bioprinting with built-in microchannels for nutrie.pdf

论文第一作者为实验室博士生高庆，通讯作者为贺永(yongqin@zju.edu.cn)，围绕这个打印工艺及打印平台可以做很多更深层次的探讨，欢迎相关学科老师一起合作深化相关的研究。