120秒打印一個‘器官’：3D生物打印邁入體積成型新時代”

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

今日，哈佛大學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，實現(xiàn)了未修飾蛋白類生物墨水的快速三維構建。該技術利用含酪氨酸的天然蛋白（如絲蛋白、去細胞外基質和明膠）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秒完成結構構建）。研究不僅系統(tǒng)給出了操作流程，還驗證了打印結構在力學性能、細胞相容性以及組織工程應用中的潛力，為下一代生物制造提供了重要技術路徑。相關成果以發(fā)表在《Nature Protocols》上，廣州醫(yī)科大學謝茂彬教授和哈佛大學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”，一層層堆疊結構，而體積生物打印（VBP）則更像“光刻雕塑”，通過投影光場在旋轉容器中一次性完成整個三維結構的交聯(lián)（圖1a）。這種方式使得打印時間從數(shù)小時縮短至幾十秒，大幅提升效率。更關鍵的是，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)方法需要對蛋白進行化學改性才能光固化，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），實現(xiàn)直接成型。這一策略不僅簡化流程，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)機制示意圖

從蠶絲到心臟：多來源生物墨水的構建路徑

在材料層面，研究團隊系統(tǒng)開發(fā)了多種天然蛋白生物墨水，包括絲膠（SS）、絲素蛋白（SF）以及來源于組織的去細胞外基質（dECM）（圖2a–d）。例如，絲蛋白來源于家蠶繭，通過脫膠、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去細胞處理，保留天然微環(huán)境成分。這一過程不僅體現(xiàn)了材料制備的復雜性，也凸顯了其生物優(yōu)勢：dECM能夠提供接近真實組織的微環(huán)境，有利于細胞黏附、生長與分化。研究顯示，即使在較低濃度（如1% dECM）下，也可以實現(xiàn)高質量打印，這在傳統(tǒng)方法中幾乎難以實現(xiàn)。

圖2：絲蛋白與去細胞外基質生物墨水的制備流程

打印性能突破：復雜結構“秒級成型”

在打印性能方面，研究展示了多種復雜結構的成功構建，包括腦狀結構、螺旋通道、耳廓與心臟模型等（圖3k–o）。這些結構不僅外形逼真，而且與設計模型高度一致，體現(xiàn)出極高的打印精度。實驗進一步表明，不同材料與光引發(fā)劑濃度對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光照。這種“材料—參數(shù)耦合”的優(yōu)化策略，為實際應用提供了重要參考。

圖3：不同蛋白生物墨水的打印性能與復雜結構展示

從微米精度到力學性能：性能全面提升

在分辨率方面，該技術可實現(xiàn)約50 μm（XY方向）和25 μm（Z方向）的精度（圖4），滿足大多數(shù)組織工程需求。與此同時，打印結構在力學性能上表現(xiàn)出高度可調性（圖5）。例如，絲素蛋白結構的強度可從幾百帕調控至數(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)應用需求調節(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：打印結構的力學性能、微觀結構及降解特性

圖6：絲蛋白結構的形狀記憶與力學調控

細胞友好：真正“活”的3D結構

在生物學性能方面，該技術的最大亮點在于其優(yōu)異的細胞相容性（圖7）。實驗顯示，嵌入細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，干細胞則成功分化為軟骨細胞。這表明，打印結構不僅是“形似”，更具備“功能性”。

圖7：細胞在打印結構中的存活率與增殖情況

應用驗證：從骨植入到“跳動的心臟”

在應用層面，研究展示了多個令人印象深刻的案例（圖8）。例如，絲蛋白螺釘結構被成功植入豬骨模型中，表現(xiàn)出良好的機械穩(wěn)定性；心臟樣結構中的心肌細胞可自發(fā)跳動；半月板結構則表現(xiàn)出典型的軟骨分化特征。這些結果表明，該技術不僅停留在實驗室階段，而是具備向臨床轉化的潛力，特別是在組織修復、器官工程等領域。“最后，研究團隊還對整個打印流程進行了系統(tǒng)梳理（圖9），為該技術的標準化和推廣應用提供了清晰路徑。”

圖8：生物打印結構在骨、心臟和軟骨中的應用驗證

圖9：完整實驗流程總結及體積生物打印技術的標準化操作路徑

小結

總體來看，這項研究通過將體積生物打印與天然蛋白材料結合，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構實現(xiàn)無需化學修飾的快速交聯(lián)，從而兼顧效率、生物相容性與功能性。未來，隨著多材料、多細胞打印技術的發(fā)展，該方法有望進一步拓展至復雜器官制造，推動個性化醫(yī)療和再生醫(yī)學邁向新階段。