圖2-1 瑞士RegenHU公司3DDiscovery 和BioFactory系列

3D細(xì)胞打印機(jī)介紹：
1、3DDiscovery三維運(yùn)動(dòng)及定位系統(tǒng) 
3DDiscovery打印機(jī)采用的是基座作為Y軸，噴頭作為X、Z軸的雙驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式，運(yùn)動(dòng)精度更高。機(jī)械手臂精度控制在±10um之內(nèi)，保證射出材料定位的高精度。對(duì)于生物打印來說，由于支架材料的微結(jié)構(gòu)（microstructure）的空隙度需要控制在30-100um之間，輸入文件的單層切片厚度一般在50--100um之間，所以±10um的控制精度足以滿足所有的生物打印材料的需求。 

圖3-1 3DDiscovery三維運(yùn)動(dòng)及定位系統(tǒng)

2、3DDiscovery打印機(jī)噴頭 
3DDiscovery打印機(jī)噴頭與“生物墨水”（bioink）之間具有良好的相容性，針對(duì)不同粘度的材料提供了不同擠出速率、針頭孔徑的噴頭，噴頭的設(shè)計(jì)符合流體力學(xué)的要求，包括黏滯性、密度、表面張力等重要參數(shù)。在3DDiscovery打印機(jī)的噴頭設(shè)計(jì)中，噴頭的孔徑為150um—2mm之間，該設(shè)計(jì)可保證打印過程中所打印的細(xì)胞或分子保持液態(tài)，打印后又可以立即凝固，以維持黏彈性狀態(tài)。這種液態(tài)到固態(tài)的變化保證不引起細(xì)胞、生物活性因子以及其他微粒的損傷，保證細(xì)胞的存活，從而有利于體外的培養(yǎng)。 
采用氣體壓力來控制打印機(jī)的材料的擠出，控制精度是所有打印機(jī)中zui高的一種。采用氣壓來作為動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)還在于滿足保證細(xì)胞的存活率、無污染等生物方面的要求，三維打印噴頭適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，可以根據(jù)材料粘度調(diào)節(jié)適合的氣體壓力，進(jìn)行不同粘度的成形材料的三維打印成形；另外噴頭采用水平的排布方法，噴頭間不易發(fā)生干擾。

圖3-2 3DDiscovery打印機(jī)的氣壓接入系統(tǒng)

相關(guān)參數(shù)：
噴頭原理：電磁射流技術(shù)+微控閥門
噴嘴直徑150um—2mm
噴射壓強(qiáng)：2060 kPa（ Dispensing pressure ）
微控閥門噴射時(shí)間4001200 us（valve opening time ）
噴射點(diǎn)距：0.050.07 mm（dosing distance）

 
圖3-3 3DDiscovery打印機(jī)的水平的排布方式 
目前3DDiscovery打印機(jī)提供適用的四種不同噴頭，分別為CF-300N，CF-300H，HM-300H，DD-135N.相關(guān)參數(shù)如下表所示。這四種不同的噴頭適應(yīng)于不同粘度的高分子材料。
表3-1 3DDiscovery打印機(jī)的適用的四種不同噴頭 

優(yōu)勢(shì)：

1. 高精度：即分辨率高,可以控制水凝膠噴射位置和墨水的量，有利于生物顯微結(jié)構(gòu)的建立，有利于局部痕量供給生物活性因子及藥物，從而有利于控制組織的局部生長(zhǎng)發(fā)育。
2. 可以同時(shí)打印種子細(xì)胞和支架材料，更利于整體三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。其可以使用多達(dá)4種材料，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)打印組織/器官內(nèi)的不同組分，使用不同的細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和生物活性因子，并且使用的配比。
3. 構(gòu)建速度快：能夠快速的制造生物組織/器官，保證了生物材料的存活率，從而顯著有利于再生醫(yī)藥等未來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

3、3DDiscovery打印機(jī)適合于不同的生物材料 
3DDiscovery打印機(jī)可以使用聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）、聚乙二醇衍生物（PEG）、纖維蛋白、彈性蛋白（韌帶及真皮中）、膠原蛋白、海藻酸鈉、瓊脂糖等。 
也可以使用天然生物衍生材料，如脫鈣骨基質(zhì)、殼聚糖、藻酸鹽凝膠等；另一類是人工合成生物高分子材料，主要有羥基磷灰石、磷酸三鈣、生物活性玻璃等無機(jī)材料和以聚乳酸及其共聚物等為代表的有機(jī)材料。
也可以采用聚己酸內(nèi)酯，磷酸鈣和水凝膠基體來形成生物相容性良好的骨骼。


圖3-4 3DDiscovery打印機(jī)打印的相關(guān)組織工程支架
Cited from: Kajsa Markstedt, et al. Biomacromolecules,2015, Accepted.
4、完善的中控平臺(tái) 
可以控制溫度、濕度、光照、氧氣/二氧化碳濃度。
制作盤溫可溫控：-5-80℃，便于打印溫敏性材料以及低溫成型材料。

圖3-5 專業(yè)穩(wěn)固的中央控制平臺(tái)
5、相關(guān)案例參考 
(1) Kajsa Markstedt, et al. 3D Bioprinting Human Chondrocytes with anocelluloseAlginate Bioink for Cartilage Tissue Engineering Applications. Biomacromolecules,2015, Accepted.
文章介紹了利用軟骨細(xì)胞和纖維素－海藻酸鈉配成的生物墨水來打印人體的軟骨組織及應(yīng)用（3DDiscovery打印機(jī)）。

圖3-6 文章相關(guān)數(shù)據(jù)及圖片

ABSTRACT: In this study, a bioink that combines the outstanding shear thinning properties of nanobrillated cellulose (NFC) with the fast cross-linking ability of alginate was formulated for the 3D bioprinting of living soft tissue with cells. Printability was evaluated with concern to printer parameters and shape delity. The shear thinning behavior of the tested bioinks enabled printing of both 2D gridlike structures as well as 3D constructs. Furthermore, anatomically shaped cartilage structures, such as a human ear and sheep meniscus, were 3D printed using MRI and CT images as blueprints. Human chondrocytes bioprinted in the noncytotoxic, nanocellulose-based bioink exhibited a cell viability of 73% and 86% after 1 and 7 days of 3D culture, respectively. On the basis of these results, we can conclude that the nanocellulose-based bioink is a suitable hydrogel for 3D bioprinting with living cells. This study demonstrates the potential use of nanocellulose for 3D bioprinting of living tissues and organs.

（2）Markus Rimanna, et al. 3D Bioprinted Muscle and Tendon Tissues for Drug Development. Chimia 69 (2015) 65–67

圖3-7 打印后的組織結(jié)構(gòu)的照片 
蘇黎世大學(xué)藥物開發(fā)和物質(zhì)測(cè)試中心運(yùn)用RegenHU打印機(jī)（3DDiscovery打印機(jī)）進(jìn)行了測(cè)試。文章介紹了打印主要人類成肌細(xì)胞和鼠肌腱細(xì)胞。免疫組織化學(xué)染色顯示打印后的成肌細(xì)胞在分化培養(yǎng)的七天后成為肌球蛋白重鏈(綠色)，顯示肌肉橫紋特征和多核細(xì)胞。A1A2顯示了整個(gè)打印后的組織結(jié)構(gòu)的照片。B1B2打印的鼠肌腱細(xì)胞在分化培養(yǎng)5天后顯示*的成熟肌腱膠原蛋白。肌腱膠原I環(huán)繞在細(xì)胞核周圍。
圖3-8 骨骼肌細(xì)胞和肌腱細(xì)胞打印成組織后的增殖情況
（3）Markus Rimann, et al. Standardized 3D Bioprinting of Soft Tissue Models with Human Primary Cells. Journal of Laboratory Automation, 2015, 1–14
文章報(bào)道了使用人的原始細(xì)胞來進(jìn)行皮膚軟組織的三維打印培養(yǎng)（3DDiscovery打印機(jī)）。成纖維細(xì)胞被交替打印在bioink支架中并進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)7周的培養(yǎng)。成纖維細(xì)胞*填充在bioink支架中，活性良好并擴(kuò)展到整個(gè)支架中。原代人皮膚角質(zhì)細(xì)胞接種在成纖維細(xì)胞形成的這種結(jié)構(gòu)中，形成了真皮*的表皮樣結(jié)構(gòu)，這是*次對(duì)該類型的三維組織進(jìn)行報(bào)道。


圖3-9 成纖維細(xì)胞*填充在bioink支架中，活性良好
（4）Kristin Schacht, et al. Biofabrication of Cell-Loaded 3D Spider Silk Constructs. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2816 –2820

圖3-10蜘蛛絲蛋白水凝膠生成的三維細(xì)胞加載結(jié)構(gòu)
生物墨水的生物印刷適應(yīng)性是生物打印的目前zui大的瓶頸之一。文章報(bào)道了使用了重組蜘蛛絲蛋白作為生物墨水，發(fā)現(xiàn)其具有能夠?qū)?xì)胞生存和增殖具有良好的適應(yīng)能力，不需要交聯(lián)劑、機(jī)械穩(wěn)定添加劑或增稠劑。在這項(xiàng)研究中, 重組蜘蛛絲蛋白水凝膠可以自動(dòng)生成的三維細(xì)胞加載結(jié)構(gòu)，證明重組蜘蛛絲水蛋白凝膠在生物打印中具有良好的應(yīng)用前景。 
BioFactory三維生物打印機(jī)系統(tǒng)介紹 
瑞士RegenHU BIOFACTORY是目前已知的三維打印機(jī)中功能zui為強(qiáng)大的生物打印機(jī)，產(chǎn)品一經(jīng)推出，立即受到組織工程領(lǐng)域的科學(xué)家的重視。其強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)、*的轉(zhuǎn)盤式選擇定位系統(tǒng)、可擴(kuò)展到8只打印頭的材料選擇平臺(tái)，都為科學(xué)家的研究能力增加了強(qiáng)大的保障。

圖4-1 瑞士RegenHU BIOFACTORY三維打印系統(tǒng)

1、BioFactory系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)介紹 

圖4-2 BioFactory系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)綜合介紹 

圖4-3 BioFactory可擴(kuò)展到8只打印頭
BioFactoryzui大可以擴(kuò)展到8只打印頭，支持五種打印方式，讓打印的組織賦予更多功能，可以構(gòu)建更為復(fù)雜的組織；

圖4-4 的三軸組合移動(dòng)平臺(tái)，打印精度更高

2、BioFactory配置不同型號(hào)的打印頭 
配備多達(dá)5種不同型號(hào)的打印頭，可以實(shí)現(xiàn)組織工程支架打印、細(xì)胞打印和對(duì)高分子，如蛋白質(zhì)和多種有機(jī)大分子的打印。

1. CF300N (non heated)
2. CF300H (heated)
3. DD 135N
4. CF130N
5. UVPen-365

圖4-5 BioFactory可實(shí)現(xiàn)組織工程支架打印、細(xì)胞打印較和生物大分子打印
3、BioFactory的適應(yīng)性生物材料、生物墨水 

圖4-6 BioFactory適應(yīng)多種水凝膠和高分子材料 
達(dá)到200多種材料，涵蓋牛頓力學(xué)和非牛頓力學(xué)材料，粘度在20–30000mPas之間都可以。

4、BioFactory打印環(huán)境控制能力 
Flow box提供了滅菌功能，可以控制溫度、濕度、光照、氧氣/二氧化碳濃度。

圖4-7 BioFactory的Flow box

5、BioFactory的主要優(yōu)勢(shì)

1. 高精度：可以控制水凝膠噴射位置和墨水的量，有利于生物顯微結(jié)構(gòu)的建立，有利于局部痕量供給生物活性因子及藥物，從而有利于控制組織的局部生長(zhǎng)發(fā)育。
2. 可以同時(shí)打印8種細(xì)胞和支架材料，更利于整體三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)打印組織/器官內(nèi)的不同組分，使用不同的細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和生物活性因子，并且使用的配比。
3. 構(gòu)建速度快：能夠快速的制造生物組織/器官，保證了生物材料的存活率，從而顯著有利于再生醫(yī)藥等未來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
4. 可以按需制造出符合個(gè)體需求的單個(gè)器官或組織，真正實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)的個(gè)性化需求。

6、相關(guān)案例參考 
（1）Lenke Horva , Yuki Umehara, Corinne Jud, et al. Engineering an in vitro air-blood barrier by 3D bioprinting, Nature,22 January 2015
2015年Nature雜志專門刊發(fā)RegenHU BioFactory的應(yīng)用文章，介紹其在構(gòu)建體外血液-空氣組織屏障方面的應(yīng)用
研究人員成功利用BioFactory的打印精度優(yōu)勢(shì)，采用內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞構(gòu)建了肺泡體外三維模型，為研究血-空氣屏障的體外組織提供了非常好的途徑。


圖4-8 相比于手工構(gòu)建，生物打印的組織細(xì)胞生長(zhǎng)均勻，可以快速成層生長(zhǎng)，形成不同細(xì)胞層組成的組織結(jié)構(gòu)

（2）Kesti M, Müller M, Becher J,  et al. A versatile bioink for three-dimensional printing of cellular scaffolds based on thermally and photo-triggered tandem gelation. Acta Biomater. 2015 Jan;11:162-72 


圖4-9通過共混溫敏性聚合物聚-N-異丙基丙烯酰胺接枝透明質(zhì)酸與甲基丙烯酸酯化的透明質(zhì)酸，將其作為支架材料進(jìn)行生物打印測(cè)試，結(jié)果顯示其對(duì)于細(xì)胞具有良好的生物相容性。其形成的三維結(jié)構(gòu)在打印后可以快速凝膠化，同時(shí)保證長(zhǎng)期的機(jī)械性能穩(wěn)定。在應(yīng)用牛軟骨細(xì)胞進(jìn)行測(cè)試后，顯示流變性能，溶脹行為都達(dá)到要求，生物相容性良好。 
（3）Carrel J-P, Wiskott A,Moussa M, Rieder P, Scherrer S,Durual S. A 3D printed TCP/HA structure as a new osteoconductive scaffold for vertical bone augmentation.Clin. Oral Impl. Res. 00, 2014,1–8. 

圖4-10利用磷酸三鈣和和羥基磷灰石3D打印多孔骨細(xì)胞生長(zhǎng)支架，其具有良好的孔隙度和互聯(lián)互通性能，特別符合成骨細(xì)胞生長(zhǎng)。在羊顱骨模型測(cè)試中，證明其可以很好地促進(jìn)皮質(zhì)骨的縱向生長(zhǎng)。相比于現(xiàn)有的骨替代材料，三維打印的多孔骨細(xì)胞生長(zhǎng)支架可以提高垂直骨生長(zhǎng)過程，植入羊顱骨模型顯示其產(chǎn)生的新骨量比顱骨高3 mm，骨量比標(biāo)準(zhǔn)的材高四倍以上，顯示其具有更好的骨生長(zhǎng)傳導(dǎo)性（osteoconductivity）。

BioINK? / OsteoINK?生物材料介紹 
瑞士RegenHU公司提供2種不同型號(hào)的打印水凝膠BioINK? / OsteoINK? 
BioINK? / OsteoINK?對(duì)于大量細(xì)胞的種植、細(xì)胞和組織的生長(zhǎng)、細(xì)胞外基質(zhì)的形成、氧氣和營(yíng)養(yǎng)的傳輸、代謝物的排泄以及血管和神經(jīng)的內(nèi)生長(zhǎng)均有良好的表現(xiàn)。

圖7-1 BioINK? / OsteoINK?生物材料
BioINK? / OsteoINK?生物材料的優(yōu)勢(shì)

BioINK? / OsteoINK?材料能夠同時(shí)滿足多項(xiàng)活細(xì)胞3D打印的需求：速度快，可以達(dá)到秒級(jí)成型；條件溫和，過程*在生理?xiàng)l件下完成，不涉及化學(xué)反應(yīng)以及能夠?qū)?xì)胞造成傷害的外界刺激；強(qiáng)度、通透性好，打印出來的產(chǎn)品zui終尺寸可以達(dá)到厘米級(jí)別以上的尺度，不變形和軟化，還能夠保證細(xì)胞生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送；具有良好的觸變性和自修復(fù)性能，在細(xì)胞生長(zhǎng)的同時(shí)可以不斷改變自身的結(jié)構(gòu)，能夠在保證對(duì)細(xì)胞提供足夠支撐的情況下不限制其擴(kuò)增；可以根據(jù)需要迅速分解不殘留，這些特點(diǎn)為將來3D打印器官的活體移植創(chuàng)造了條件。

1. • 較好的可降解性及降解速率；
   • 較好的材料機(jī)械力學(xué)強(qiáng)度；
   • 支架具有zui適孔徑分布和孔隙率，孔隙率高(≥90%) ；
   • 生物相容性好，生物降解后可*吸收；
   • 生物打印相容性好，打印后可以快速固化。