细胞3D打印机系统

3Dynamic软组织3D生物打印机 

日前，英国斯旺西大学下属的生命科学技术公司3Dynamic Systems（以下简称3DS）开发出两款新型的3D生物打印系统：Alpha 骨组织制造平台和双重挤出的Omega型号的生物打印平台。 
 
这两款3D打印机的新奇之处在于他们可以使用生物活性和生物相容性材料用于3D打印，而且目前，3DS正在按需制造可移植的3D打印骨骼和复杂的组织结构，这些将有可能用于**严重受伤的病人。

开发的**个系统是Alpha 骨组织制造平台系统，这是一个单一挤出式骨组织制造平台。该机器产生的磷酸钙类骨可用于再生严重非稳定性骨折。通过以3D的形式**沉积一种特殊的骨复合材料，可根据需要生成正确的骨骼形状。这种材料通过种入血小板源生长因子，可以形成适宜干细胞生成再生组织的正确环境，从而能够生成骨骼，以及相应的支持结构，包括血管。 

正在试验图 
**个系统是双重挤出的3Dynamic Omega生物打印机，可以用来制造3D的软组织结构。目前这种设备能够制造出复杂的多细胞混合组织以用于**测试。该公司也正在探索使用该机器打印出不同的生物组织的方法，比如像肌肉、脂肪和皮肤这类组织。这一技术的发展方向是按需制造移植用的复合组织。 
3DS的这两款3D生物打印设备使用起来都很方便，在生物技术研究领域有很大的应用前景，3DS的3D生物打印技术研究也正朝着按需直接生物制造人体组织以用于移植的目标迈进。虽然现在有的还在试验阶段，但是我们不得不承认3D打印骨组织以及软体组织正一步步地向我们走进，而这一切的发生将带给医学界一大贡献。 
3Dynamic Systems Working on 3D-Bioprinting Human Bone, Skin & Muscle
3Dynamic生物打印机是一个与细胞相容性高的多功能三维模型创建平台。该打印机可以同时打印多种细胞及复合基质，细胞成活率达到90%以上。该3Dynamic组织工程工作站可以在骨骼制造、不同的软组织的打印方面进行重建，也可以有效地按照实验要求和需要进行多种组织的打印成型，满足个性化医疗过程中修复材料的需要。打印的组织具有排斥反应低、**性高的优势。该生物打印系统提供的多喷头、多材料的生物打印系统，以及基于生物打印系统制备组织工程器官的方法，通过无菌恒温装置控制打印环境的温度，在保证支架材料固化的前提下，又能保证细胞的成活率，使每一层细胞都能得到成长需要的营养，保证细胞在三维环境中生长。

 
图1 3Dynamic生物打印机正面 

图2 3Dynamic生物打印机侧面 
2、主要优势

1. 系统包括由机器手控制的精准打印头和计算机控制激光校准系统，能够根据需要打印三维人体组织，有助于进行生物组织结构重组和器官移植。
2. 高精度：系统分辨率高，采用常规的笛卡尔坐标系统，可以向各个方向移，该设备有很高的分辨率（在x、y、z轴方向误差为±10微米）。它的喷嘴将会根据软件设计的形状逐层堆积组织球状体（tissue spheroids.）、水凝胶和生物凝胶。系统可以**控制“墨水”喷射位置和喷射量，有利于建立**的生物显微结构，利于局部供给痕量生物活性因子及营养，从而有利于控制组织的局部生长发育。
3. 稳定性高：系统采用直线丝杆步进电机，传动机构简单，减少了插补滞后的问题，定位精度、重现精度、**精度，容易实现。直线丝杆步进电机速度达到300m/min，加速度达到10g；寿命方面：直线丝杆步进电机因运动部件和固定部件间有安装间隙，无接触，不会因动子的高速往复运动而磨损，长间使用对运动定位精度无变化，适合高精度的场合。
4. 兼容性强：可以同时打印种子细胞和支架材料，更利于整体三维结构的构建。其可以使用多材料的“墨盒”的原理，使用不同的细胞、细胞外基质和生物活性因子，并且使用**的配比，从而实现利用不同组分同时打印组织支架和器官
5. 构建速度快：能够快速的制造生物组织/器官，保证了生物材料的存活率，从而显著有利于再生医药、器官移植等未来医学领域。

主要型号： 
α—3Dynamic系统，它是一个单一的挤压式骨组织制造平台。可以建立磷酸钙类骨再生的模型，通过在三维系统中准确地沉积特殊成骨复合材料，产生骨形成支撑结构，其中还可以通过血小板衍生的生长因子的注入建立包括血管组织生成的合适的环境。 
 
图3 α—3Dynamic系列 
ω—3Dynamic系统，该工作站是一个双挤出三维生物打印机，使用生物活性凝胶用于生成多相组织，此3D-生物印刷技术的工作原理通过淀积含有每毫升2000万干细胞的生物活性凝胶、藻酸盐、透明质酸、转化生长因子β1 ，***和明胶等。该系统紧凑且坚固耐用，性能可靠。 
α—3Dynamic系统和3D打印机主控板使用一个定制的Sanguinololu的电子模块解决方案，具有强大的ATMEGA1284微处理器控制。Sanguinololu是一种供Reprap等数控设备使用的低成本ALL-IN-ONE主控板解决方案。它设有一个的板载Sanguino（与arduino类似的*小系统，使用ATMEGA644P芯片同时兼容ATMEGA1284）。它的四个轴均采用Pololu引脚兼容的步进驱动程序。 开发板提供了一个友好的扩展端口，支持I2C，SPI，UART，以及ADC引脚。全部14个扩展GPIO引脚可被用来作为为好。用户可以选择使用任何7V-30V的ATX电源电源板。系统采用无声的Nema 17的步进电机来**控制打印头的运动轨迹。这两相电机是无刷电机，运行过程中免维护。 

图4 可进行高精度三维打印的ω—3Dynamic

 
图5 ω—3Dynamic的四轴步进驱动器

4、适用范围 
适用于α—3Dynamic系列的成骨材料可分为两大种类：一类是天然生物衍生材料，如脱钙骨基质、壳聚糖、藻酸盐凝胶等；另一类是人工合成生物高分子材料，主要有羟基磷灰石、磷酸三钙、生物活性玻璃等无机材料和以聚乳酸及其共聚物等为代表的有机材料。也可以采用聚己酸内酯，磷酸钙和水凝胶基体来形成生物相容性良好的骨骼。 
适用于ω—3Dynamic系统组织工程的打印材料可以是多种水凝胶材料，或者相关材料的混合物。包括：聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）、聚乙二醇衍生物（PEG）、纤维蛋白、弹性蛋白（韧带及真皮中）、胶原蛋白、海藻酸钠、琼脂糖等。这些预构建的组织随后在三个星期的时间里成长为一个组织了。这使组织工程领域的研究人员可以研究各种组织成熟的过程。 
三维结构的制造数据可以取自CT扫描和/或三维激光扫描数据。该应用程序被设计来制造人类特有的三维干细胞的组织结构中，与未来研究这个过程是能够同时制造组织中的下列类型：血管和动脉、气管结构、神经细丝、角膜构造、组织结构、心脏组织。

图6 打印的生物支架材料（牙槽骨、软骨、血管）

图7 打印的牙槽骨支架材料

 
图8 打印的骨骼组织扫描电镜照片

图9 牙齿3D支架 
多孔的表面可促使牙洞里的血液流通，支架*后会被人体所吸收

5、主要参数 
功率：在10安培240V电源为50Hz运行。 
精度：在x，y和z轴方向± 10微米 
速度： 1 mm /秒至50mm /秒 
步进电机：NEMA17两相混合式步进电机马达，NEMA17 
构建外形*大尺寸： 310毫米（X ）× 210毫米（Y ）× 120毫米（Z ） 
原料挤出系统：双丝杆步进技术 
供暖系统的材料：电阻加热25 - 50℃ 
开发工具包：有 
**性：紧急停止

我公司（世联博研）还**代理

1. 瑞士regenhu品牌3D Discovery细胞组织生物打印系统:

—建立三维的拟有机组织工程 
3DDiscovery®是一个符合成本效益的3D生物印 刷平台，以通过生物打印方法发掘具有潜力 的三维组织工程。 此仪器藉由**的建构方式建构软硬组织的 体外模型来控制细胞之间的间隙及其形态。 
以三维结构模型模拟活体生物 内发生的事 3DDiscovery®是一个与细胞相容性高的多 功能三维模型创建平台。此平台可使细 胞培养在适合的生物分子软硬度复合材 料内。其功能大大优于二维细胞的培养。 
规格概要 
1)外形尺寸：580/540/570mm 
2)机械手臂精度：±10μm 
3)制作范围：130x90x60mm 
4)4个打印头粘度范围可达10'000mPaS 
5)射出精度达 nl 
6)打印头具加热功能（*高至250℃） 
7)专用绘制软体 BioCAD 
8)制作盘温可温控（80 ℃） 
关键技术 
1)在单一模型中同时结合细胞校号分子生物材料 
2)**技术提供细胞及生物分子良好的空间控制 
3)组件可升级 
4)使用 BioCAD可轻松绘制模型 
5)于生理环境下制作 
6)可选择专用实验室工作台或无菌罩 
可选用的材料 
1)生物大分子 
2)钙 
3)细胞 
4)信号分子（蛋白质） 
5)水凝胶 
6)胶原蛋白 
7)聚己内酯 
8)聚酯

1. 瑞士regenhu品牌BioFactory生物组织打印制造系统:

建立一个具有复杂类活体内型态的组织结构 BioFactory®是一个与细胞相容性高且多功能的三维制造仪器，使 科学家可以设定细胞、生物分子与软硬材料来建构一个与自然相仿 的3D结构材料。 使组织工程可模拟原生环境的强大工具 根据以往普遍研究发现in vitro、in vivo、人体 试验间的实验数据相关性较差。 BioFactory®即 是一个强而有力的工具使组织工程可在一个类 似in vivo的环境进行，这可以更忠实的反映细 胞的行为、交互作用及分化过程。 以3D 结构研究并判别生物演进的： 细胞间讯息传递、分化、**代谢、基 因及蛋白质的表现、对刺激的反应、环 境、与细胞外基质的接触、与体内实验 的相关性、型态、增殖与存活能力 以BIOFACTORY®制造与活体 表皮相似的模型 

将BIOFACTORY®制造的表皮模型培养七天后做组织切片并染色 
主要优势 
于生理条件下制作 
光固化系统 
模组化:可选择不同点胶技术 
可在无菌环境下制作 
具再现性的微米级流程 
以BIOCAD软体快速绘制模型 
客制化组件

1. 瑞士regenhu品牌BioLink生物组织打印制造材料胶

人类组织大致上分为四大类 (结缔,上皮,肌肉,神经)，现今大多数的 细胞培养都是以2D为主，较无法重现细 胞在人体内的交互作用及生长，而呈现 出的研究也与实际上有段差距。 使用此材料所所制成之3D网络搭配现有 之技术及材料(生物聚合物 水胶)可期望 有效重现细胞于体内生长之情形。
此产品之优势便是使用layer-upon-layer来制作，而其中的孔 隙便做为在蛋白质的***络或 讯号转 
移途径上的研究，此材料 若是搭配其研发之水胶 BioInk® 便可有效模拟细胞间质来完全发 挥此材料与 
技术之优势。 


上图为使用纤维母细胞于此材料中培养六天 上图使用真皮细胞培养七天后染色 可见到使用此材料 
图中黑点便证明细胞可以生长 于预先规划之 所培养之细胞型 成近似于组织的型态 
孔隙

1. 德国envisiontec品牌3D-Bioplotter生物支架3D打印机系统

 
3D Bioplotter ™ 系统是一种可采用多种生物材料的快速成型设备，适用于从三维 CAD 模型和患者的CT扫描数据到实体3D生物支架转变的这一计算机辅助生物工程，其制作的生物支架具有符合设计要求的外在形式和开放的内在结构。
3D Bioplotter ™系统适合在生物材料要求的无菌环境下工作进行生物组织制造，例如，使用海藻悬浮细胞打印生物支架。相较于其他快速成型技术，3D Bioplotter™系统使用一种非常简单和直接的三维打印技术——3DF技术（Three-dimensionalfiber deposition，三维纤维沉积技术），由德国的材料研究中心发明和开发。 
特性 
1、三轴定位系统
2、自动工具转换系统
3、线性滚珠轴承
4、含真空固定系统的加热底板
5、同一工作下，可使用五个打印头
6、耐高温打印头，可达250°
7、耐低温打印头，8°-50°
可打印的材料 
生物工程和**控释都要求3D生物支架具备良好的外在和内在结构。目前在3D打印机中，3D-Bioplotter ™系统它制作生物支架所运用的材料范围*广，从聚合物熔体、软凝胶到硬陶瓷、 
金属。 
1、骨骼再生：羟磷灰石（Hydroxyapatite）、钛（Titanium）、磷酸三钙碳（Tricalciumphosphate）2、**控释：聚已酸内酯（PCL）、聚乳酸（PLLA）、乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）3、软组织生物结构/器官打印：琼脂（Agar）、聚氨基葡萄糖（Chitosan）、藻朊酸盐（Alginate）、白明胶（Gelatine）、骨胶原（Collagen）、纤维素（Fibrin） 
4、概念模型：聚氨基甲酸乙酯（Polyurethane）、硅酮（Silicone） 

样品图片

sample pictures

	规格			specifications
产品型号			3D-Bioplotter™
打印精度（XYZ轴）			0.001mm
打印速度			0.1-150mm/秒
*大成型尺寸			150*150*140mm
针传感器分辨率（Z轴）			0.001mm
分辨率（XY轴）			每个像素0.009mm
*小层厚			0.1mm（随材料不同而变化）
设备尺寸			976x623x773mm
设备重量			80KG
所需气压			6–8bar，每分钟30升
电源			100–240VAC,10A,50/60Hz
	系统数据处理

3D-Bioplotter™ 需与个人电脑工作站配合使用，来操作和监控系统。以发挥系统操作和监控功能。将CAD数据上传至电脑，通过Bioplotter™ 软件处理数据，然后将处理后的数据通过集成接口卡传输至3D-Bioplotter™，Bioplotter™ 软件将持续监控整个工作过程，直到整个工作流程完满结束为止。

世联博研公司提供专业的细胞组织支架3D打印技术讲解。