逐级悬浮3D打印制造含可灌注血管的心脏模型

供稿人：武文泽、高琳
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会


在体外按需创建功能性组织和器官是生物制造的主要目标，但现有生物3D打印技术仍然难以同时构建器官的复杂宏观外部几何形状和其内部微观精细结构（如血管）。

针对这一问题，清华大学机械系熊卓团队研发了一种逐级悬浮3D打印技术，这种技术能够实现具有复杂外部结构和内部血管网络的组织器官快速构建。基于这一技术，熊卓团队成功打印了含可灌注血管网络的心室模型，为复杂器官的体外打印构建提供了新的解决思路。

逐级悬浮3D打印技术具体的制造过程如下（图1）：第一级打印，在悬浮介质中打印生物墨水，获得组织和器官的复杂外部宏观结构；第二级打印，将牺牲墨水打印到初次打印但未交联的结构中，获得自由形态的血管网络；原位交联使打印结构定型，同时通过去除悬浮介质和牺牲墨水获得含自由血管网络的复杂器官。

图1 逐级悬浮打印过程示意图

然后研究者们创建了一个简化的心室模型进行打印（图2），整个模型直径约为2厘米，壁厚约为4毫米，心室模型中间表面有分层血管网络。在使用生物墨水首次打印心室结构后，继续打印含有红色染料的明胶墨水以产生血管网络。在第二个打印阶段，通过控制扫描时间或以恒定打印速度改变挤出速率来调整每个分支的直径。由此成功打印了嵌入分层血管网络的心室结构。去除悬浮介质和牺牲墨水后，可以通过与注射泵连接反复灌注心室内的整个分层血管网络。

图2 逐级悬浮打印制造的可灌注心室结构

参考文献：
FANG Y, GUO Y, WU B, et al. Expanding Embedded 3D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks [J]. Adv Mater, 2023, e2205082.