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生物打印以其快速、精準(zhǔn)、個性化等優(yōu)點在組織構(gòu)建中逐漸展現(xiàn)優(yōu)勢。相對于實體組織打印，復(fù)雜空腔組織的打印構(gòu)建，對于可打印水凝膠材料生物相容性、力學(xué)強度、打印可塑性等特性的要求更加嚴(yán)格。對于空腔組織或器官的不同亞層結(jié)構(gòu)，如何準(zhǔn)確構(gòu)建、打印管腔結(jié)構(gòu)以及如何維持中空管道功能等問題，尚面臨諸多挑戰(zhàn)。

上海交通大學(xué)皮慶猛博士在哈佛博士后工作期間， 在哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu Shrike Zhang教授指導(dǎo)下，與同事一起自行設(shè)計了一種新型同軸多通道生物打印系統(tǒng)（MCCES）（如圖1），以實現(xiàn)空腔組織或器官不同亞層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。實驗證實，將優(yōu)化的復(fù)合水凝膠復(fù)合細胞后，可以借助這一新型打印系統(tǒng)實現(xiàn)一次性同步區(qū)分打印不同亞層結(jié)構(gòu)，滿足不影響細胞活力的前提下，增強管腔結(jié)構(gòu)一定的力學(xué)強度，并精準(zhǔn)同步打印具有2層（或2層以上）亞層結(jié)構(gòu)的空腔組織。這項研究為體外構(gòu)建復(fù)雜空腔組織或器官提供了新的方法，也得到國際同行的認可，該項工作日前正式發(fā)表在國際生物材料領(lǐng)域頂級期刊Advanced Materials（最新影響因子21.95）。

圖1.同軸多通道生物打印系統(tǒng)快速構(gòu)建空腔管狀結(jié)構(gòu)。（圖片來自Advanced Materials）

  研究者自行研制新型的同軸多通道打印系統(tǒng)，分別同步構(gòu)建內(nèi)、外亞層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了準(zhǔn)確構(gòu)建不同亞層的設(shè)想（如圖2）。采用Alginate+GelMA+PEGOA混合水凝膠，利用鈣離子交聯(lián)、聯(lián)合光敏交聯(lián)固化的方法，增加打印過程中的復(fù)層管型結(jié)構(gòu)的可塑性。研究證實，打印后空腔結(jié)構(gòu)具有良好的灌注功能。

圖2.打印空腔管狀結(jié)構(gòu)水平面及橫斷面鏡下觀。（圖片來自Advanced Materials）

圖3.單層雙層空腔管狀結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)性。（圖片來自Advanced Materials）

  通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)，單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)在同一根管腔結(jié)構(gòu)反復(fù)切換的設(shè)想（如圖3）。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(fù)合水凝膠混合后，利用MCCES打印復(fù)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(biāo)志物。

  該項工作首次采用自行研發(fā)的同軸多通道生物打印系統(tǒng)（MCCES）可調(diào)控性構(gòu)建復(fù)雜空腔組織設(shè)計理念，實現(xiàn)了不同亞層結(jié)構(gòu)一次性同步準(zhǔn)確構(gòu)建的設(shè)想。實驗證實血管、尿道等空腔組織可以通過該新型設(shè)計系統(tǒng)，快速構(gòu)建含有不同功能細胞的復(fù)層空腔結(jié)構(gòu)。該研究系統(tǒng)有望用于實現(xiàn)復(fù)雜空腔組織或器官的精準(zhǔn)構(gòu)建，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(lǐng)域。

  該工作日前發(fā)表于生物材料領(lǐng)域頂級期刊Advanced Materials, 由哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu Shrike Zhang課題組完成。加州大學(xué)洛杉磯分校Ali Khademhoseini教授為共同通訊作者。論文第一作者為哈佛大學(xué)博士后皮慶猛博士，來自上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟醫(yī)院整形外科。共同作者還包括哈佛大學(xué)博士后Sushila博士, 南京大學(xué)燕翔博士，及北京航空航天大學(xué)劉肖博士。

論文鏈接：

  Qingmeng Pi, Sushila Maharjan, Xiang Yan, Xiao Liu, Bijay Singh, Anne Metje van Genderen, Felipe Robledo-Padilla, Roberto Parra-Saldivar, Ning Hu, Weitao Jia, Changliang Xu, Jian Kang, Shabir Hassan, Haibo Cheng, Xu Hou, Ali Khademhosseini, Yu Shrike Zhang. Digitally Tunable Microflidic Bioprinting of Multilayered Cannular Tissues. Advanced Materials 2018 August 

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201706913