3Dynamic軟組織3D生物打印機 

日前，英國斯旺西大學(xué)下屬的生命科學(xué)技術(shù)公司3Dynamic Systems（以下簡稱3DS）開發(fā)出兩款新型的3D生物打印系統(tǒng)：Alpha 骨組織制造平臺和雙重擠出的Omega型號的生物打印平臺。 
 
這兩款3D打印機的新奇之處在于他們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打印骨骼和復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)，這些將有可能用于**嚴重受傷的病人。

開發(fā)的**個系統(tǒng)是Alpha 骨組織制造平臺系統(tǒng)，這是一個單一擠出式骨組織制造平臺。該機器產(chǎn)生的磷酸鈣類骨可用于再生嚴重非穩(wěn)定性骨折。通過以3D的形式**沉積一種特殊的骨復(fù)合材料，可根據(jù)需要生成正確的骨骼形狀。這種材料通過種入血小板源生長因子，可以形成適宜干細胞生成再生組織的正確環(huán)境，從而能夠生成骨骼，以及相應(yīng)的支持結(jié)構(gòu)，包括血管。 

正在試驗圖 
**個系統(tǒng)是雙重擠出的3Dynamic Omega生物打印機，可以用來制造3D的軟組織結(jié)構(gòu)。目前這種設(shè)備能夠制造出復(fù)雜的多細胞混合組織以用于**測試。該公司也正在探索使用該機器打印出不同的生物組織的方法，比如像肌肉、脂肪和皮膚這類組織。這一技術(shù)的發(fā)展方向是按需制造移植用的復(fù)合組織。 
3DS的這兩款3D生物打印設(shè)備使用起來都很方便，在生物技術(shù)研究領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景，3DS的3D生物打印技術(shù)研究也正朝著按需直接生物制造人體組織以用于移植的目標邁進。雖然現(xiàn)在有的還在試驗階段，但是我們不得不承認3D打印骨組織以及軟體組織正一步步地向我們走進，而這一切的發(fā)生將帶給醫(yī)學(xué)界一大貢獻。 
3Dynamic Systems Working on 3D-Bioprinting Human Bone, Skin & Muscle
3Dynamic生物打印機是一個與細胞相容性高的多功能三維模型創(chuàng)建平臺。該打印機可以同時打印多種細胞及復(fù)合基質(zhì)，細胞成活率達到90%以上。該3Dynamic組織工程工作站可以在骨骼制造、不同的軟組織的打印方面進行重建，也可以有效地按照實驗要求和需要進行多種組織的打印成型，滿足個性化醫(yī)療過程中修復(fù)材料的需要。打印的組織具有排斥反應(yīng)低、**性高的優(yōu)勢。該生物打印系統(tǒng)提供的多噴頭、多材料的生物打印系統(tǒng)，以及基于生物打印系統(tǒng)制備組織工程器官的方法，通過無菌恒溫裝置控制打印環(huán)境的溫度，在保證支架材料固化的前提下，又能保證細胞的成活率，使每一層細胞都能得到成長需要的營養(yǎng)，保證細胞在三維環(huán)境中生長。

 
圖1 3Dynamic生物打印機正面 

圖2 3Dynamic生物打印機側(cè)面 
2、主要優(yōu)勢

1. 系統(tǒng)包括由機器手控制的精準打印頭和計算機控制激光校準系統(tǒng)，能夠根據(jù)需要打印三維人體組織，有助于進行生物組織結(jié)構(gòu)重組和器官移植。
2. 高精度：系統(tǒng)分辨率高，采用常規(guī)的笛卡爾坐標系統(tǒng)，可以向各個方向移，該設(shè)備有很高的分辨率（在x、y、z軸方向誤差為±10微米）。它的噴嘴將會根據(jù)軟件設(shè)計的形狀逐層堆積組織球狀體（tissue spheroids.）、水凝膠和生物凝膠。系統(tǒng)可以**控制“墨水”噴射位置和噴射量，有利于建立**的生物顯微結(jié)構(gòu)，利于局部供給痕量生物活性因子及營養(yǎng)，從而有利于控制組織的局部生長發(fā)育。
3. 穩(wěn)定性高：系統(tǒng)采用直線絲桿步進電機，傳動機構(gòu)簡單，減少了插補滯后的問題，定位精度、重現(xiàn)精度、**精度，容易實現(xiàn)。直線絲桿步進電機速度達到300m/min，加速度達到10g；壽命方面：直線絲桿步進電機因運動部件和固定部件間有安裝間隙，無接觸，不會因動子的高速往復(fù)運動而磨損，長間使用對運動定位精度無變化，適合高精度的場合。
4. 兼容性強：可以同時打印種子細胞和支架材料，更利于整體三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。其可以使用多材料的“墨盒”的原理，使用不同的細胞、細胞外基質(zhì)和生物活性因子，并且使用**的配比，從而實現(xiàn)利用不同組分同時打印組織支架和器官
5. 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、器官移植等未來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

主要型號： 
α—3Dynamic系統(tǒng)，它是一個單一的擠壓式骨組織制造平臺。可以建立磷酸鈣類骨再生的模型，通過在三維系統(tǒng)中準確地沉積特殊成骨復(fù)合材料，產(chǎn)生骨形成支撐結(jié)構(gòu)，其中還可以通過血小板衍生的生長因子的注入建立包括血管組織生成的合適的環(huán)境。 
 
圖3 α—3Dynamic系列 
ω—3Dynamic系統(tǒng)，該工作站是一個雙擠出三維生物打印機，使用生物活性凝膠用于生成多相組織，此3D-生物印刷技術(shù)的工作原理通過淀積含有每毫升2000萬干細胞的生物活性凝膠、藻酸鹽、透明質(zhì)酸、轉(zhuǎn)化生長因子β1 ，***和明膠等。該系統(tǒng)緊湊且堅固耐用，性能可靠。 
α—3Dynamic系統(tǒng)和3D打印機主控板使用一個定制的Sanguinololu的電子模塊解決方案，具有強大的ATMEGA1284微處理器控制。Sanguinololu是一種供Reprap等數(shù)控設(shè)備使用的低成本ALL-IN-ONE主控板解決方案。它設(shè)有一個的板載Sanguino（與arduino類似的*小系統(tǒng)，使用ATMEGA644P芯片同時兼容ATMEGA1284）。它的四個軸均采用Pololu引腳兼容的步進驅(qū)動程序。 開發(fā)板提供了一個友好的擴展端口，支持I2C，SPI，UART，以及ADC引腳。全部14個擴展GPIO引腳可被用來作為為好。用戶可以選擇使用任何7V-30V的ATX電源電源板。系統(tǒng)采用無聲的Nema 17的步進電機來**控制打印頭的運動軌跡。這兩相電機是無刷電機，運行過程中免維護。 

圖4 可進行高精度三維打印的ω—3Dynamic

 
圖5 ω—3Dynamic的四軸步進驅(qū)動器

4、適用范圍 
適用于α—3Dynamic系列的成骨材料可分為兩大種類：一類是天然生物衍生材料，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材料和以聚乳酸及其共聚物等為代表的有機材料。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。 
適用于ω—3Dynamic系統(tǒng)組織工程的打印材料可以是多種水凝膠材料，或者相關(guān)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）、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。這些預(yù)構(gòu)建的組織隨后在三個星期的時間里成長為一個組織了。這使組織工程領(lǐng)域的研究人員可以研究各種組織成熟的過程。 
三維結(jié)構(gòu)的制造數(shù)據(jù)可以取自CT掃描和/或三維激光掃描數(shù)據(jù)。該應(yīng)用程序被設(shè)計來制造人類特有的三維干細胞的組織結(jié)構(gòu)中，與未來研究這個過程是能夠同時制造組織中的下列類型：血管和動脈、氣管結(jié)構(gòu)、神經(jīng)細絲、角膜構(gòu)造、組織結(jié)構(gòu)、心臟組織。

圖6 打印的生物支架材料（牙槽骨、軟骨、血管）

圖7 打印的牙槽骨支架材料

 
圖8 打印的骨骼組織掃描電鏡照片

圖9 牙齒3D支架 
多孔的表面可促使牙洞里的血液流通，支架*后會被人體所吸收

5、主要參數(shù) 
功率：在10安培240V電源為50Hz運行。 
精度：在x，y和z軸方向± 10微米 
速度： 1 mm /秒至50mm /秒 
步進電機：NEMA17兩相混合式步進電機馬達，NEMA17 
構(gòu)建外形*大尺寸： 310毫米（X ）× 210毫米（Y ）× 120毫米（Z ） 
原料擠出系統(tǒng)：雙絲桿步進技術(shù) 
供暖系統(tǒng)的材料：電阻加熱25 - 50℃ 
開發(fā)工具包：有 
**性：緊急停止

我公司（世聯(lián)博研）還**代理

1. 瑞士regenhu品牌3D Discovery細胞組織生物打印系統(tǒng):

—建立三維的擬有機組織工程 
3DDiscovery®是一個符合成本效益的3D生物印 刷平臺，以通過生物打印方法發(fā)掘具有潛力 的三維組織工程。 此儀器藉由**的建構(gòu)方式建構(gòu)軟硬組織的 體外模型來控制細胞之間的間隙及其形態(tài)。 
以三維結(jié)構(gòu)模型模擬活體生物 內(nèi)發(fā)生的事 3DDiscovery®是一個與細胞相容性高的多 功能三維模型創(chuàng)建平臺。此平臺可使細 胞培養(yǎng)在適合的生物分子軟硬度復(fù)合材 料內(nèi)。其功能大大優(yōu)于二維細胞的培養(yǎng)。 
規(guī)格概要 
1)外形尺寸：580/540/570mm 
2)機械手臂精度：±10μm 
3)制作范圍：130x90x60mm 
4)4個打印頭粘度范圍可達10'000mPaS 
5)射出精度達 nl 
6)打印頭具加熱功能（*高至250℃） 
7)專用繪制軟體 BioCAD 
8)制作盤溫可溫控（80 ℃） 
關(guān)鍵技術(shù) 
1)在單一模型中同時結(jié)合細胞校號分子生物材料 
2)**技術(shù)提供細胞及生物分子良好的空間控制 
3)組件可升級 
4)使用 BioCAD可輕松繪制模型 
5)于生理環(huán)境下制作 
6)可選擇專用實驗室工作臺或無菌罩 
可選用的材料 
1)生物大分子 
2)鈣 
3)細胞 
4)信號分子（蛋白質(zhì)） 
5)水凝膠 
6)膠原蛋白 
7)聚己內(nèi)酯 
8)聚酯

1. 瑞士regenhu品牌BioFactory生物組織打印制造系統(tǒng):

建立一個具有復(fù)雜類活體內(nèi)型態(tài)的組織結(jié)構(gòu) BioFactory®是一個與細胞相容性高且多功能的三維制造儀器，使 科學(xué)家可以設(shè)定細胞、生物分子與軟硬材料來建構(gòu)一個與自然相仿 的3D結(jié)構(gòu)材料。 使組織工程可模擬原生環(huán)境的強大工具 根據(jù)以往普遍研究發(fā)現(xiàn)in vitro、in vivo、人體 試驗間的實驗數(shù)據(jù)相關(guān)性較差。 BioFactory®即 是一個強而有力的工具使組織工程可在一個類 似in vivo的環(huán)境進行，這可以更忠實的反映細 胞的行為、交互作用及分化過程。 以3D 結(jié)構(gòu)研究并判別生物演進的： 細胞間訊息傳遞、分化、**代謝、基 因及蛋白質(zhì)的表現(xiàn)、對刺激的反應(yīng)、環(huán) 境、與細胞外基質(zhì)的接觸、與體內(nèi)實驗 的相關(guān)性、型態(tài)、增殖與存活能力 以BIOFACTORY®制造與活體 表皮相似的模型 

將BIOFACTORY®制造的表皮模型培養(yǎng)七天后做組織切片并染色 
主要優(yōu)勢 
于生理條件下制作 
光固化系統(tǒng) 
模組化:可選擇不同點膠技術(shù) 
可在無菌環(huán)境下制作 
具再現(xiàn)性的微米級流程 
以BIOCAD軟體快速繪制模型 
客制化組件

1. 瑞士regenhu品牌BioLink生物組織打印制造材料膠

人類組織大致上分為四大類 (結(jié)締,上皮,肌肉,神經(jīng))，現(xiàn)今大多數(shù)的 細胞培養(yǎng)都是以2D為主，較無法重現(xiàn)細 胞在人體內(nèi)的交互作用及生長，而呈現(xiàn) 出的研究也與實際上有段差距。 使用此材料所所制成之3D網(wǎng)絡(luò)搭配現(xiàn)有 之技術(shù)及材料(生物聚合物 水膠)可期望 有效重現(xiàn)細胞于體內(nèi)生長之情形。
此產(chǎn)品之優(yōu)勢便是使用layer-upon-layer來制作，而其中的孔 隙便做為在蛋白質(zhì)的***絡(luò)或 訊號轉(zhuǎn) 
移途徑上的研究，此材料 若是搭配其研發(fā)之水膠 BioInk® 便可有效模擬細胞間質(zhì)來完全發(fā) 揮此材料與 
技術(shù)之優(yōu)勢。 


上圖為使用纖維母細胞于此材料中培養(yǎng)六天 上圖使用真皮細胞培養(yǎng)七天后染色 可見到使用此材料 
圖中黑點便證明細胞可以生長 于預(yù)先規(guī)劃之 所培養(yǎng)之細胞型 成近似于組織的型態(tài) 
孔隙

1. 德國envisiontec品牌3D-Bioplotter生物支架3D打印機系統(tǒng)

 
3D Bioplotter ™ 系統(tǒng)是一種可采用多種生物材料的快速成型設(shè)備，適用于從三維 CAD 模型和患者的CT掃描數(shù)據(jù)到實體3D生物支架轉(zhuǎn)變的這一計算機輔助生物工程，其制作的生物支架具有符合設(shè)計要求的外在形式和開放的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。
3D Bioplotter ™系統(tǒng)適合在生物材料要求的無菌環(huán)境下工作進行生物組織制造，例如，使用海藻懸浮細胞打印生物支架。相較于其他快速成型技術(shù)，3D Bioplotter™系統(tǒng)使用一種非常簡單和直接的三維打印技術(shù)——3DF技術(shù)（Three-dimensionalfiber deposition，三維纖維沉積技術(shù)），由德國的材料研究中心發(fā)明和開發(fā)。 
特性 
1、三軸定位系統(tǒng)
2、自動工具轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
3、線性滾珠軸承
4、含真空固定系統(tǒng)的加熱底板
5、同一工作下，可使用五個打印頭
6、耐高溫打印頭，可達250°
7、耐低溫打印頭，8°-50°
可打印的材料 
生物工程和**控釋都要求3D生物支架具備良好的外在和內(nèi)在結(jié)構(gòu)。目前在3D打印機中，3D-Bioplotter ™系統(tǒng)它制作生物支架所運用的材料范圍*廣，從聚合物熔體、軟凝膠到硬陶瓷、 
金屬。 
1、骨骼再生：羥磷灰石（Hydroxyapatite）、鈦（Titanium）、磷酸三鈣碳（Tricalciumphosphate）2、**控釋：聚已酸內(nèi)酯（PCL）、聚乳酸（PLLA）、乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）3、軟組織生物結(jié)構(gòu)/器官打?。涵傊ˋgar）、聚氨基葡萄糖（Chitosan）、藻朊酸鹽（Alginate）、白明膠（Gelatine）、骨膠原（Collagen）、纖維素（Fibrin） 
4、概念模型：聚氨基甲酸乙酯（Polyurethane）、硅酮（Silicone） 

樣品圖片

sample pictures

	規(guī)格			specifications
產(chǎn)品型號			3D-Bioplotter™
打印精度（XYZ軸）			0.001mm
打印速度			0.1-150mm/秒
*大成型尺寸			150*150*140mm
針傳感器分辨率（Z軸）			0.001mm
分辨率（XY軸）			每個像素0.009mm
*小層厚			0.1mm（隨材料不同而變化）
設(shè)備尺寸			976x623x773mm
設(shè)備重量			80KG
所需氣壓			6–8bar，每分鐘30升
電源			100–240VAC,10A,50/60Hz
	系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

3D-Bioplotter™ 需與個人電腦工作站配合使用，來操作和監(jiān)控系統(tǒng)。以發(fā)揮系統(tǒng)操作和監(jiān)控功能。將CAD數(shù)據(jù)上傳至電腦，通過Bioplotter™ 軟件處理數(shù)據(jù)，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過集成接口卡傳輸至3D-Bioplotter™，Bioplotter™ 軟件將持續(xù)監(jiān)控整個工作過程，直到整個工作流程完滿結(jié)束為止。

世聯(lián)博研公司提供專業(yè)的細胞組織支架3D打印技術(shù)講解。