Biofactory 3D Bio-Printers

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The bioprinting manufacturing technology combined with smart biomaterials, stem cells, growth and differentiation factors, and biomimetic environments have created unique opportunities to fabricate tissues in the laboratory from combinations of engineered extracellular matrices (scaffolds), cells, and biologically active molecules.

RegenHU provides cutting-edge bioprinting solutions to combine multiple extracellular matrix materials, hydrogels, cells and bioactives within a three-dimensional spatial controlled environment enabling highly dynamic networks of proteins and signal transduction pathways in tissues, cell-cell and cell-extracellular matrix interactions.

3D bioprinting, is a powerful fabrication technology, used to create three-dimensional cellular constructs which biomimics complex biological functionalities found in native tissues and organs.

1) 可構建打印復雜組織

Biofactory是當今世界上功能*強大的生物打印機，多達8個打印頭和8個加料倉，具有復雜逼真仿生組織等打印、構建能力。 

2) 高分辨率、高精度：

該系統(tǒng)射出精度達20pl與顛覆傳統(tǒng)的三維陀螺定位系統(tǒng)，可**控制墨水噴射位置和墨水的量，有利于生物顯微結構的建立，有利于局部痕量供給生物活性因子及**，從而有利于控制組織的局部生長發(fā)育

3) 模仿生物細胞結構,按需打印仿生組織與仿生器官：

可以按需制造出符合個體需求的單個器官或組織，真正實現(xiàn)醫(yī)學的個性化需求

4)BioFactory專有的HMI和BIOCAD專業(yè)生物打印軟件:

控制打印的進行。軟件容易操作，文件轉換**，確保后期打印精度;

5)獨特的INK-JET噴墨,細胞活性高

打印頭打印系統(tǒng)采用的INK-JET噴墨技術能保持細胞的活力，打印細胞后細胞存活率達到90%以上.

1、BioFactory系統(tǒng)動力系統(tǒng)介紹 

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

圖4-3 BioFactory可擴展到8只打印頭
BioFactory*大可以擴展到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，可以構建更為復雜的組織；

圖4-4 **的三軸組合移動平臺，打印精度更高

2、BioFactory配置不同型號的打印頭 
配備多達5種不同型號的打印頭，可以實現(xiàn)組織工程支架打印、細胞打印和對高分子，如蛋白質和多種有機大分子的打印。

1. CF300N (non heated)

2. CF300H (heated)

3. DD 135N

4. CF130N

5. UVPen-365

4、BioFactory打印環(huán)境控制能力 
Flow box提供了**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

1. 高精度：可以**控制水凝膠噴射位置和墨水的量，有利于生物顯微結構的建立，有利于局部痕量供給生物活性因子及**，從而有利于控制組織的局部生長發(fā)育。

2. 可以同時打印8種細胞和支架材料，更利于整體三維結構的構建，從而實現(xiàn)同時打印組織/器官內的不同組分，使用不同的細胞、細胞外基質和生物活性因子，并且使用**的配比。

3. 構建速度快：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)學領域。

4. 可以按需制造出符合個體需求的單個器官或組織，真正實現(xiàn)醫(yī)學的個性化需求。

6、相關案例參考 
（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的應用文章，介紹其在構建體外血液-空氣組織屏障方面的應用
研究人員成功利用BioFactory的打印精度優(yōu)勢，采用內皮細胞和上皮細胞構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 相比于手工構建，生物打印的組織細胞生長均勻，可以快速成層生長，形成不同細胞層組成的組織結構

（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酸與甲基丙烯酸酯化的透明質酸，將其作為支架材料進行生物打印測試，結果顯示其對于細胞具有良好的生物相容性。其形成的三維結構在打印后可以快速凝膠化，同時保證長期的機械性能穩(wěn)定。在應用牛軟骨細胞進行測試后，顯示流變性能，溶脹行為都達到要求，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打印多孔骨細胞生長支架，其具有良好的孔隙度和互聯(lián)互通性能，特別符合成骨細胞生長。在羊顱骨模型測試中，證明其可以很好地促進皮質骨的縱向生長。相比于現(xiàn)有的骨替代材料，三維打印的多孔骨細胞生長支架可以提高垂直骨生長過程，植入羊顱骨模型顯示其產(chǎn)生的新骨量比顱骨高3 mm，骨量比標準的材高四倍以上，顯示其具有更好的骨生長傳導性（osteoconductivity）。

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

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

• 較好的可降解性及降解速率；

• 較好的材料機械力學強度；

• 支架具有*適孔徑分布和孔隙率，孔隙率高(≥90%) ；

• 生物相容性好，生物降解后可完全吸收；

• 生物打印相容性好，打印后可以快速固化。

瑞士RegenHU打印機—活細胞組織三維打印制造*強音

活性細胞組織存活率99%以上??！

常溫、高低溫等打印材料廣泛！！

接近體內自然環(huán)境的打印微環(huán)境*限控制?。?/span>

打印速度*快！！

瑞士RegenHU公司目前主要有兩款產(chǎn)品，分別為3DDiscovery 和BioFactory系列。這兩款產(chǎn)品都是生物打印領域中具有高性價比的3D生物打印平臺，可以幫助研究者通過生物打印方法對有潛力的三維組織工程方法、材料、集成技術等進行研究。

可以使用材料廣泛：

1)生物大分子

2)鈣

3)細胞

4)信號分子（蛋白質）

5)水凝膠

6)膠原蛋白

7)聚己內酯

8)聚酯

9）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。

10）也可以使用天然生物衍生材料，如脫鈣骨基質、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。
11）也可以采用聚己酸內酯，磷酸鈣和水凝膠基體來形成生物相容性良好的骨骼。

瑞士RegenHU 所生產(chǎn)的3D生物打印與制造系統(tǒng)（3DDiscovery 和BioFactory系列）具有打印生物材料種類多、對細胞損傷率低、打印精度高、集成化程度好和操作方便等特點。相關數(shù)據(jù)顯示，RegenHU三維生物打印機在生物材料兼容性、細胞打印特性等各項參數(shù)上處于全球**地位。瑞士RegenHU 3D生物打印與制造系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于再生醫(yī)學、組織工程、癌癥、干細胞、醫(yī)用高分子材料等科學領域的研究中。

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

性能良好的生物打印機必須解決以下問題： 
（1）打印力學方面方面，打印機在噴射過程中的剪切力和液滴的沖擊力不會或者盡量少地對打印細胞活性造成沖擊。 
（2）生物支架材料的生物相容性問題，打印機打印的生物支架必須有良好的可降解性及降解速率，同時材料具有一定的機械力學強度以及*適孔徑和孔隙率。同時生物支架還必須對細胞和 DNA 既無毒性，也不會引起不可逆的損傷，在整個打印過程中都要**無菌化的。 
（3）打印精度以及微結構控制能力，打印的支架與細胞混合體需要有穩(wěn)定性的三維結構，不能在打印后出現(xiàn)溶解或坍塌。打印的構建物可以進行體外培養(yǎng)、增殖、分化、發(fā)育等后處理過程，要求構建模型是具有組織/器官三維特征的，能夠模擬組織/器官特異性的微結構和微環(huán)境，這些對于大量細胞的種植、細胞和組織的生長、細胞外基質的形成、氧氣和營養(yǎng)的傳輸、代謝物的排泄以及血管和神經(jīng)的內生長起著決定作用。 
瑞士RegenHU公司的3DDiscovery 和BioFactory系列產(chǎn)品**地解決了以上問題，這兩款產(chǎn)品通過在體外模擬內體生理條件，然后通過模塊化、可選的多次分配技術、強大的BioCAD軟件快速建模、微米級進程重復定位精度、納升及皮升級別的高精度的打印流量控制、功能強大的多種打印噴頭，可以幫助研究者快速、準確、個性化地制造復雜的生物實體。 
目前，瑞士RegenHU公司的3DDiscovery 和BioFactory系列產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用于為生命科學、材料科學、藥品研發(fā)、組織工程等諸多領域。其**的性能為科研工作者在解決再生醫(yī)學、組織工程、癌癥、干細胞、醫(yī)用高分子材料等領域的關鍵問題中提供了劃時代的解決方案，相關文獻已經(jīng)在包括Nature，Acta Biomaterial，Biomaterials，Clin. Oral Impl. Res.，Journal of Laboratory Automation，Biomacromolecules等知名雜志發(fā)表，收到業(yè)內的廣泛重視。

3DDiscovery打印機介紹
1、3DDiscovery三維運動及定位系統(tǒng) 
3DDiscovery打印機采用的是基座作為Y軸，噴頭作為X、Z軸的雙驅動運動模式，運動精度更高。機械手臂精度控制在±10um之內，保證射出材料定位的高精度。對于生物打印來說，由于支架材料的微結構（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三維運動及定位系統(tǒng)

2、3DDiscovery打印機噴頭 
3DDiscovery打印機噴頭與“生物墨水”（bioink）之間具有良好的相容性，針對不同粘度的材料提供了不同擠出速率、針頭孔徑的噴頭，噴頭的設計符合流體力學的要求，包括黏滯性、密度、表面張力等重要參數(shù)。在3DDiscovery打印機的噴頭設計中，噴頭的孔徑為150um—2mm之間，該設計可保證打印過程中所打印的細胞或分子保持液態(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胞、生物活性因子以及其他微粒的損傷，保證細胞的存活，從而有利于體外的培養(yǎng)。 
采用氣體壓力來控制打印機的材料的擠出，控制精度是所有打印機中*高的一種。采用氣壓來作為動力的優(yōu)勢還在于滿足保證細胞的存活率、無污染等生物方面的要求，三維打印噴頭適應性強，操作簡單，可以根據(jù)材料粘度調節(jié)適合的氣體壓力，進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打印機的氣壓接入系統(tǒng)

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

3DDiscovery打印機噴頭的優(yōu)勢

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，有利于生物顯微結構的建立，有利于局部痕量供給生物活性因子及**，從而有利于控制組織的局部生長發(fā)育。

2. 可以同時打印種子細胞和支架材料，更利于整體三維結構的構建。其可以使用多達4種材料，從而實現(xiàn)同時打印組織/器官內的不同組分，使用不同的細胞、細胞外基質和生物活性因子，并且使用**的配比。

3. 構建速度快：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)學領域。

3、3DDiscovery打印機適合于不同的生物材料 
3DDiscovery打印機可以使用聚乳酸（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、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打印機打印的相關組織工程支架
Cited from: Kajsa Markstedt, et al. Biomacromolecules,2015, Accepted.
4、完善的中控平臺 
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
5、相關案例參考 
(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用（3DDiscovery打印機）。

圖3-6 文章相關數(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 打印后的組織結構的照片 
蘇黎世大學**開發(fā)和物質測試中心運用RegenHU打印機（3DDiscovery打印機）進行了測試。文章介紹了打印主要人類成肌細胞和鼠肌腱細胞。**組織化學染色顯示打印后的成肌細胞在分化培養(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胞。A1A2顯示了整個打印后的組織結構的照片。B1B2打印的鼠肌腱細胞在分化培養(yǎng)5天后顯示特有的成熟肌腱膠原蛋白。肌腱膠原I環(huán)繞在細胞核周圍。
圖3-8 骨骼肌細胞和肌腱細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
文章報道了使用人的原始細胞來進行皮膚軟組織的三維打印培養(yǎng)（3DDiscovery打印機）。成纖維細胞被交替打印在bioink支架中并進行長達7周的培養(yǎng)。成纖維細胞完全填充在bioink支架中，活性良好并擴展到整個支架中。原代人皮膚角質細胞接種在成纖維細胞形成的這種結構中，形成了真皮特有的表皮樣結構，這是**次對該類型的三維組織進行報道。


圖3-9 成纖維細胞完全填充在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胞加載結構 
生物墨水的生物印刷適應性是生物打印的目前*大的瓶頸之一。文章報道了使用了重組蜘蛛絲蛋白作為生物墨水，發(fā)現(xiàn)其具有能夠對細胞生存和增殖具有良好的適應能力，不需要交聯(lián)劑、機械穩(wěn)定添加劑或增稠劑。在這項研究中, 重組蜘蛛絲蛋白水凝膠可以自動生成的三維細胞加載結構，證明重組蜘蛛絲水蛋白凝膠在生物打印中具有良好的應用前景。 
BioFactory三維生物打印機系統(tǒng)介紹
瑞士RegenHU BIOFACTORY是目前已知的三維打印機**能*為強大的生物打印機，產(chǎn)品一經(jīng)推出，立即受到組織工程領域的科學家的重視。其強大的動力系統(tǒng)、獨特的轉盤式選擇定位系統(tǒng)、可擴展到8只打印頭的材料選擇平臺，都為科學家的研究能力增加了強大的保障。

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