器官再造关键突破！Mater Today Bio：3D生物打印精准器官积木可构建层级血管化大体积组织

当器官因损伤、病变失去功能，器官移植往往是患者延续生命的唯一希望，但供体器官的严重短缺，让无数患者在等待中错失生机。异种移植、传统组织工程等替代方案，又因免疫排斥、结构复刻精度不足、可重复性差等问题难以落地，如何打造出结构精准、功能完善的人工器官，成为生物医药领域亟待攻克的难题。

近日，发表于Mater Today Bio的一项研究，为这一难题带来了全新解决方案，研究团队通过创新3D生物打印技术，成功制备出可精准组装的器官积木，还实现了具备层级血管网络的大体积组织构建，让人工器官的临床转化迈出了关键一步。

传统组织工程领域存在两大技术瓶颈，自上而下的支架培养策略依靠移液器或灌注方式将细胞接种于支架，无法实现精准的细胞空间定位，仅能适用于骨、软骨、皮肤等结构简单的组织，难以复刻肝小叶、心肌血管网络这类天然组织的精细微结构。而自下而上以球状体、类器官为基础的组装策略，虽能构建高细胞密度的组织结构，却因细胞自发自组装存在尺寸不均、功能不稳定的问题，可重复性差的短板也让其难以实现临床转化。

挤出式3D生物打印虽能提升组织制备的可重复性，但其先天的尺寸精度不足，成为制备兼具精密微结构和可组装性器官积木的关键障碍。针对这一行业痛点，研究团队创新提出模具引导的3D生物打印策略，将生物墨水直接打印于3D打印成型的聚己内酯模具内，结合多材料预设挤出技术，实现了微尺度异质结构器官积木的精准制备。

该方法借助模具的几何约束，让器官积木的尺寸精度大幅提升，最大误差仅160μm，还能精准调控生物墨水的空间分布，成功复刻出毛细血管束、肝小叶样等天然组织的仿生微结构，模具也可被制造成方形、直条等多种截面形状，为后续多样化组装奠定了结构基础。

图1：基于生物打印的器官积木制备策略

胶原蛋白水凝胶因力学性能较弱，在常规打印中易因自身重量变形，且模具与生物墨水间的表面张力也会引发丝状体变形，破坏内部微结构。研究团队通过精准调控水凝胶流变特性及表面张力解决了这一问题，在DPBS环境中开展生物打印，让胶原蛋白水凝胶在聚己内酯模具表面的接触角大于90°，有效规避了表面张力引发的结构失真，保障了器官积木内部微结构的精准度，也让胶原蛋白这类低机械强度材料实现了高精度成型。

图2：利用3D打印模具提升尺寸精度并通过降低表面张力实现精细横截面结构

胶原蛋白水凝胶的低机械强度，还会导致器官积木在操作、组装和培养过程中易变形、受损，甚至因细胞黏附迁移出现结构收缩。研究团队选用低细胞毒性的京尼平作为交联剂，对器官积木进行交联处理，实现了力学性能的可控提升：交联30分钟的器官积木压缩强度提升36.6%，交联1小时后强度实现跨越式增长，能有效抵抗细胞活动引发的结构收缩。

同时，京尼平交联未对积木内细胞活力造成影响，也未改变肝、血管相关细胞的白蛋白、尿素分泌等核心生物学功能，实现了力学强化与生物功能的双重保障，让器官积木在具备足够机械强度的同时，仍能保持良好的生物活性。

图3：生物打印制备的器官积木力学强度提升结果

在解决器官积木的精准制备和力学强化问题后，研究团队以纤维蛋白为生物粘合剂，开展了器官积木的组装实验。结果显示，高尺寸精度的器官积木在组装时仅需极薄的粘合层，且组装后不同积木间能实现高效的细胞融合与组织整合：成纤维细胞分泌的血管内皮生长因子，可诱导血管内皮细胞跨积木迁移，形成连续的组织结构，实现了真正的生物层面融合。

小尺寸器官积木能保障内部细胞的营养和氧气供应，避免了大体积组织因营养渗透不足导致的细胞死亡，8个2mm×2mm×2mm的高活力器官积木组装后，可形成4mm×4mm×4mm的大体积组织，且整体保持高细胞活力，其压缩强度与单个交联积木高度一致，未因组装过程受损，兼顾了组织体积与细胞活性。

基于上述技术，研究团队成功制备出血管化肝器官积木，并通过组装构建出具备层级血管网络的大体积肝组织构建体。每个血管化肝器官积木均预设精准的微结构，4个积木组装后，其内部的四分之一圆形凹槽可拼接形成直径1mm的中心血管腔，周围还分布着16个相互连通的外周管腔，且管腔表面能实现完整的内皮化。

更重要的是，内皮细胞可跨积木形成紧密的细胞连接，让组装后的血管腔具备良好的生理屏障功能，能有效阻止白蛋白的非特异性扩散，精准模拟天然血管的物质运输特性，实现了人工组织血管网络的功能化复刻，解决了传统组织工程难以构建层级血管网络的难题。

图4：基于器官积木策略制备具层级血管结构的组织构建体

这项研究的核心价值，在于成功融合了精密制造与自下而上的组织组装策略，一举解决了传统挤出式生物打印尺寸精度低、自下而上组装策略可重复性差的行业难题。从模具引导实现器官积木的精准制备，到京尼平交联完成力学强化，再到纤维蛋白粘合实现高效组装与生物融合，研究团队搭建了一套完整的技术体系，最终实现了具备层级血管网络的大体积功能化组织构建，突破了传统组织工程在复杂组织制备中的关键瓶颈。

这一技术框架兼具可重复性与可扩展性的双重优势，不仅为肝、心等复杂器官的人工再造提供了全新的技术思路，还为组织工程技术的临床转化奠定了重要基础。未来，随着该技术的进一步优化，有望推动人工器官从实验室走向临床应用，为无数器官功能衰竭患者带来新的治疗希望，也将为生物医药和再生医学领域的发展注入新的动力，让器官再造从梦想逐渐成为现实。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Kim JH, Jin G, Kim J, et al. Bioprinting and assembly of organ building blocks for tissue engineering applications. Mater Today Bio. 2026;37:102842. Published 2026 Jan 22. doi:10.1016/j.mtbio.2026.102842