生物3D/4D打印技术是器官体外再造的重要手段。近年来，打印技术已在多种组织器官构建中有所应用，但是工程手段的单一性无法满足器官复杂性的需求，尤其缺少多尺度管道连接以及微环境动态变化控制的策略；另外制造器官中的细胞空间运动规律不明、调控手段缺失。针对以上问题中国科学院动物研究所交叉学科团队（生物制造研究组：https://www.gulab.info）近期取得了以下系列成果。

　　（1）一体化复杂管网组织打印

　　中国科学院动物研究所顾奇、沈阳自动化研究所郑雄飞、化学研究所王树研究团队协同攻关、耗时4年建立了复合打印系统实现多尺度管道的功能连接。联合团队开发了低粘度双分子互穿网络水凝胶，并调节高分子网络孔径促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）形成毛细血管的长度和分支点数以形成多分支毛细血管网；其次团队针对性设计双控温打印系统以实现低粘度复合水凝胶的精准成型；该系统已应用于肝组织的构建和体内移植（如图1）。相关研究工作作为内封面发表于先进生物材料杂志上Advanced Healthcare Materials，该论文第一作者为中国科学院动物研究所博士研究生刘鑫，并列第一作者包括中国科学院动物研究所特聘研究助理王新环博士、中国科学院沈阳自动化研究所张黎明、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心孙露露。

　　（2）通过生物3D打印可控骨骼肌纤维的动态组装

　　仿生精准排列和可控动态控制是生物制造的难题，中国科学院动物研究所顾奇、黄仕强研究组以骨骼肌构建作为模型，报道了不同空间限制对细胞排列及分化影响，并提出了在这一过程中细胞和材料动态变化的假说，相关结果发表于国际生物制造杂志Biofabrication，该论文第一作者为中国科学院动物研究所博士研究生范婷婷。研究表明特定空间环境限制和响应性生物活性纤维材料促进了细胞形变、周围环境重塑，微观形变积累的机械能又进一步促进重塑过程，从而产生高取向大尺度肌肉组织结构（图2）。并研究揭示了生物制造组织三维构建过程中的动态变化，以及物理因素在细胞定向运动和功能化中的作用。

　　（3）基于纳米类囊体和热响应聚合物的仿生4D打印可呼吸式水凝胶致动器

　　中国科学院化学研究所王树、动物研究所顾奇研究组联合报道了一种基于类囊体膜（纳米类囊体）和热响应聚合物的仿生4D打印可呼吸式水凝胶致动器。这种具有光热转换和催化特性的智能可呼吸式水凝胶致动器可以仿真模拟植物动态形变及产生O₂等生命活动，同时具备水下可控运动的能力，比如通过打印的仿生机械手抓取物体，相关结果发表于国际杂志先进功能材料Advanced Functional Materials上。联合团队利用菠菜来源的纳米类囊体进行光热转换和H₂O₂的催化分解；借助热响应聚合物聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPA）产生变形力；并进一步利用4D打印双层聚（N-异丙基丙烯酰胺）/聚丙烯酰胺（PNIPA/PAA）的不对称结构放大机械运动（图3）。该研究工作为智能水凝胶设计提供了一种全新策略，为4D打印技术仿生能力提升开辟了新方向，并为自动化机器人和智能生物医学器件领域提供了极具前景的候选材料。

　　上述三个研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项“器官重建与制造”（XDA16020802, XDA16020803，XDA16020804），国家自然科学基金项目（21661132006，51875557），中国科学院青年团队项目（YSBR-012），中国科学院工程实验室项目（KFJ-PTXM-039），科技部重点研发计划（2020YFB1313100）等项目支持以及先导项目责任专家和监理专家的指导。

　　论文信息：

　　3D Liver Tissue Model with Branched Vascular Networks by Multimaterial Bioprinting

　　Xin Liu^#, Xinhuan Wang^#, Liming Zhang^#, Lulu Sun^#, Heran Wang, Hao Zhao, Zhengtao Zhang, Wenli Liu, Yiming Huang, Shen Ji, Jingjinqiu Zhang, Kai Li, Biaobiao Song, Chun Li, Hui Zhang, Song Li, Shu Wang,* Xiongfei Zheng,* and Qi Gu*

　　Advanced Healthcare Materials

　　DOI: 10.1002/adhm.202101405

　　原文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202101405

　　Controllable assembly of skeletal muscle-like bundles through 3D bioprinting

　　Tingting Fan, Shuo Wang, Zongmin Jiang, Shen Ji, Wenhua Cao, Wenli Liu, Yun Ji, Yujing Li，Ng Shyh-Chang*, and Qi Gu*

　　Biofabrication

　　DOI: 10.1088/1758-5090/ac3aca

　　原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ac3aca

　　Biomimetic 4D-Printed Breathing Hydrogel Actuators by Nanothylakoid and Thermoresponsive Polymer Networks

　　Hao Zhao, Yiming Huang, Fengting Lv, Libing Liu, Qi Gu,* and Shu Wang*

　　Advanced Functional Materials

　　DOI: 10.1002/adfm.202105544

　　原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105544

图1. 一体化打印具有分支血管网络的肝组织

图2. 骨骼肌组织体外构建

图3. 仿生4D打印可呼吸式水凝胶致动器