哈佛醫(yī)學(xué)院/廣州醫(yī)科大學(xué)合作，最新Nature大子刊：3D生物打印

120秒打印一個(gè)‘器官’：3D生物打印邁入體積成型新時(shí)代”

近年來(lái)，3D生物打印在組織工程與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但傳統(tǒng)逐層打印方式效率低、材料受限，成為制約技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化的重要瓶頸。尤其是在生物墨水方面，現(xiàn)有體系往往依賴(lài)復(fù)雜的化學(xué)修飾，不僅增加工藝難度，還可能影響細(xì)胞活性和生物相容性。如何在保證打印速度的同時(shí)，使用天然、未改性的生物材料實(shí)現(xiàn)高精度構(gòu)建，成為該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

今日，哈佛大學(xué)Yu Shrike Zhang教授課題組提出了一種基于體積生物打印（VBP）的新方法，實(shí)現(xiàn)了未修飾蛋白類(lèi)生物墨水的快速三維構(gòu)建。該技術(shù)利用含酪氨酸的天然蛋白（如絲蛋白、去細(xì)胞外基質(zhì)和明膠）在Ru/SPS光引發(fā)體系作用下直接交聯(lián)成型，大幅提升打印效率（最快約120秒完成結(jié)構(gòu)構(gòu)建）。研究不僅系統(tǒng)給出了操作流程，還驗(yàn)證了打印結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能、細(xì)胞相容性以及組織工程應(yīng)用中的潛力，為下一代生物制造提供了重要技術(shù)路徑。相關(guān)成果以發(fā)表在《Nature Protocols》上，廣州醫(yī)科大學(xué)謝茂彬教授和哈佛大學(xué)Liming Lian為共同第一作者。

體積生物打印：從“逐層堆疊”到“整體成型”

傳統(tǒng)3D生物打印如同“砌磚”，一層層堆疊結(jié)構(gòu)，而體積生物打印（VBP）則更像“光刻雕塑”，通過(guò)投影光場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)容器中一次性完成整個(gè)三維結(jié)構(gòu)的交聯(lián)（圖1a）。這種方式使得打印時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短至幾十秒，大幅提升效率。更關(guān)鍵的是，該研究突破性地引入“未修飾蛋白生物墨水”概念（圖1b）。傳統(tǒng)方法需要對(duì)蛋白進(jìn)行化學(xué)改性才能光固化，而新方法利用蛋白中天然存在的酪氨酸，在光引發(fā)體系作用下形成二酪氨酸交聯(lián)（圖1c），實(shí)現(xiàn)直接成型。這一策略不僅簡(jiǎn)化流程，還保留了材料的天然生物活性。

圖1：體積生物打印系統(tǒng)及酪氨酸蛋白生物墨水交聯(lián)機(jī)制示意圖

從蠶絲到心臟：多來(lái)源生物墨水的構(gòu)建路徑

在材料層面，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了多種天然蛋白生物墨水，包括絲膠（SS）、絲素蛋白（SF）以及來(lái)源于組織的去細(xì)胞外基質(zhì)（dECM）（圖2a–d）。例如，絲蛋白來(lái)源于家蠶繭，通過(guò)脫膠、溶解與透析等步驟獲得高純度溶液；而心臟和半月板組織則通過(guò)去細(xì)胞處理，保留天然微環(huán)境成分。這一過(guò)程不僅體現(xiàn)了材料制備的復(fù)雜性，也凸顯了其生物優(yōu)勢(shì)：dECM能夠提供接近真實(shí)組織的微環(huán)境，有利于細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)與分化。研究顯示，即使在較低濃度（如1% dECM）下，也可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量打印，這在傳統(tǒng)方法中幾乎難以實(shí)現(xiàn)。

圖2：絲蛋白與去細(xì)胞外基質(zhì)生物墨水的制備流程

打印性能突破：復(fù)雜結(jié)構(gòu)“秒級(jí)成型”

在打印性能方面，研究展示了多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建，包括腦狀結(jié)構(gòu)、螺旋通道、耳廓與心臟模型等（圖3k–o）。這些結(jié)構(gòu)不僅外形逼真，而且與設(shè)計(jì)模型高度一致，體現(xiàn)出極高的打印精度。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，不同材料與光引發(fā)劑濃度對(duì)打印效果具有顯著影響。例如，絲蛋白在較低濃度下即可獲得良好分辨率，而明膠由于酪氨酸含量較低，則需要更高濃度和更強(qiáng)光照。這種“材料—參數(shù)耦合”的優(yōu)化策略，為實(shí)際應(yīng)用提供了重要參考。

圖3：不同蛋白生物墨水的打印性能與復(fù)雜結(jié)構(gòu)展示

從微米精度到力學(xué)性能：性能全面提升

在分辨率方面，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)約50 μm（XY方向）和25 μm（Z方向）的精度（圖4），滿(mǎn)足大多數(shù)組織工程需求。與此同時(shí)，打印結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能上表現(xiàn)出高度可調(diào)性（圖5）。例如，絲素蛋白結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可從幾百帕調(diào)控至數(shù)百兆帕，覆蓋軟組織到硬組織的廣泛范圍。此外，材料還表現(xiàn)出良好的可降解性，可根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)節(jié)降解速率。值得注意的是，絲膠材料還展現(xiàn)出“形狀記憶”特性：在乙醇處理后收縮，再在水中恢復(fù)原狀（圖6），為智能材料和可變形植入物提供了新思路。

圖4：打印分辨率與光穿透深度分析

圖5：打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及降解特性

圖6：絲蛋白結(jié)構(gòu)的形狀記憶與力學(xué)調(diào)控

細(xì)胞友好：真正“活”的3D結(jié)構(gòu)

在生物學(xué)性能方面，該技術(shù)的最大亮點(diǎn)在于其優(yōu)異的細(xì)胞相容性（圖7）。實(shí)驗(yàn)顯示，嵌入細(xì)胞在打印后仍保持較高存活率，并能持續(xù)增殖。例如，在心臟模型中，心肌細(xì)胞不僅能夠存活，還表現(xiàn)出收縮行為；在半月板模型中，干細(xì)胞則成功分化為軟骨細(xì)胞。這表明，打印結(jié)構(gòu)不僅是“形似”，更具備“功能性”。

圖7：細(xì)胞在打印結(jié)構(gòu)中的存活率與增殖情況

應(yīng)用驗(yàn)證：從骨植入到“跳動(dòng)的心臟”

在應(yīng)用層面，研究展示了多個(gè)令人印象深刻的案例（圖8）。例如，絲蛋白螺釘結(jié)構(gòu)被成功植入豬骨模型中，表現(xiàn)出良好的機(jī)械穩(wěn)定性；心臟樣結(jié)構(gòu)中的心肌細(xì)胞可自發(fā)跳動(dòng)；半月板結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出典型的軟骨分化特征。這些結(jié)果表明，該技術(shù)不僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，而是具備向臨床轉(zhuǎn)化的潛力，特別是在組織修復(fù)、器官工程等領(lǐng)域。“最后，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)整個(gè)打印流程進(jìn)行了系統(tǒng)梳理（圖9），為該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣應(yīng)用提供了清晰路徑。”

圖8：生物打印結(jié)構(gòu)在骨、心臟和軟骨中的應(yīng)用驗(yàn)證

圖9：完整實(shí)驗(yàn)流程總結(jié)及體積生物打印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化操作路徑

小結(jié)

總體來(lái)看，這項(xiàng)研究通過(guò)將體積生物打印與天然蛋白材料結(jié)合，成功突破了傳統(tǒng)生物打印在速度與材料上的雙重限制。其核心創(chuàng)新在于利用蛋白天然結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無(wú)需化學(xué)修飾的快速交聯(lián)，從而兼顧效率、生物相容性與功能性。未來(lái)，隨著多材料、多細(xì)胞打印技術(shù)的發(fā)展，該方法有望進(jìn)一步拓展至復(fù)雜器官制造，推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療和再生醫(yī)學(xué)邁向新階段。