高精度快速活细胞3D打印机系统Discovery BioFactory

瑞士RegenHU打印机—活细胞组织三维打印制造强音

活性细胞组织存活率99%以上！！

常温、高低温等打印材料广！！

接近体内自然环境的打印微环境控制！！

打印速度快！！

瑞士RegenHU公司主要有两款产品，分别为3DDiscovery 和BioFactory系列。这两款产品都是生物打印领域中具有高性价比的3D生物打印平台，可以帮助研究者通过生物打印方法对有潜力的三维组织工程方法、材料、集成技术等进行研究。

可以使用材料广：

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

9）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zhen皮中）、胶原蛋白、海藻酸钠、琼脂糖等。

10）也可以使用天然生物衍生材料，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、lin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。
11）也可以采用聚己酸内酯，lin酸钙和水凝胶基体来形成生物相容性良好的骨骼。

瑞士RegenHU 所生产的3D生物打印与制造系统（3DDiscovery 和BioFactory系列）具有打印生物材料种类多、对细胞损伤率低、打印精度高、集成化程度好和操作方便等特点。相关数据显示，RegenHU三维生物打印机在生物材料兼容性、细胞打印特性等各项参数上处于优先地位。瑞士RegenHU 3D生物打印与制造系统已经用于再生医学、组织工程、癌症、干细胞、高分子材料等科学领域的研究中。

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

性能良好的生物打印机必须解决以下问题：
（1）打印力学方面方面，打印机在喷射过程中的剪切力和液滴的冲击力不会或者尽量少地对打印细胞活性造成冲击。
（2）生物支架材料的生物相容性问题，打印机打印的生物支架必须有良好的可降解性及降解速率，同时材料具有一定的机械力学强度以及适孔径和孔隙率。同时生物支架还必须对细胞和 DNA 既无毒性，也不会引起不可逆的损伤，在整个打印过程中都要求是无菌化的。
（3）打印精度以及微结构控制能力，打印的支架与细胞混合体需要有稳定性的三维结构，不能在打印后出现溶解或坍塌。打印的构建物可以进行体外培养、增殖、分化、发育等后处理过程，要求构建模型是具有组织/器官三维特征的，能够模拟组织/器官特异性的微结构和微环境，这些对于大量细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气和营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的内生长起着决定作用。
瑞士RegenHU公司的3DDiscovery 和BioFactory系列产品解决了以上问题，这两款产品通过在体外模拟内体生理条件，然后通过模块化、可选的多次分配技术、强大的BioCAD软件快速建模、微米级进程重复定位精度、纳升及皮升级别的高精度的打印流量控制、功能强大的多种打印喷头，可以帮助研究者快速、准确、个性化地制造复杂的生物实体。
瑞士RegenHU公司的3DDiscovery 和BioFactory系列产品已经应用于为生命科学、材料科学、药品研发、组织工程等诸多领域。其优异的性能为科研工作者在解决再生医学、组织工程、癌症、干细胞、高分子材料等领域的关键问题中提供了划时代的解决方案，相关文献已经在包括Nature，Acta Biomaterial，Biomaterials，Clin. Oral Impl. Res.，Journal of Laboratory Automation，Biomacromolecules等知名杂志发表，收到业内的重视。

3DDiscovery打印机介绍
1、3DDiscovery三维运动及定位系统
3DDiscovery打印机采用的是基座作为Y轴，喷头作为X、Z轴的双驱动运动模式，运动精度高。机械手臂精度控制在±10um之内，射出材料定位的高精度。对于生物打印来说，由于支架材料的微结构（microstructure）的空隙度需要控制在30-100um之间，输入文件的单层切片厚度一般在50--100um之间，所以±10um的控制精度足以满足所有的生物打印材料的需求。

图3-1 3DDiscovery三维运动及定位系统

2、3DDiscovery打印机喷头
3DDiscovery打印机喷头与“生物墨水”（bioink）之间具有良好的相容性，针对不同粘度的材料提供了不同挤出速率、针头孔径的喷头，喷头的设计符合流体力学的要求，包括黏滞性、密度、表面张力等重要参数。在3DDiscovery打印机的喷头设计中，喷头的孔径为150um—2mm之间，该设计可打印过程中所打印的细胞或分子保持ye态，打印后又可以立即凝固，以维持黏弹性状态。这种ye态到固态的变化不引起细胞、生物活性因子以及其他微粒的损伤，细胞的存活，从而有利于体外的培养。
采用气体压力来控制打印机的材料的挤出，控制精度是所有打印机中高的一种。采用气压来作为动力的优点还在于满足细胞的存活率、无污染等生物方面的要求，三维打印喷头适应性强，操作简单，可以根据材料粘度调节适合的气体压力，进行不同粘度的成形材料的三维打印成形；另外喷头采用水平的排布方法，喷头间不易发生干扰。

图3-2 3DDiscovery打印机的气压接入系统

图3-3 3DDiscovery打印机的水平的排布方式
3DDiscovery打印机提供适用的四种不同喷头，分别为CF-300N，CF-300H，HM-300H，DD-135N.相关参数如下表所示。这四种不同的喷头适应于不同粘度的高分子材料。
表3-1 3DDiscovery打印机的适用的四种不同喷头

3DDiscovery打印机喷头的优点

1. 高精度：即分辨率高,可以精确控制水凝胶喷射位置和墨水的量，有利于生物显微结构的建立，有利于局部痕量供给生物活性因子及药物，从而有利于控制组织的局部生长发育。

2. 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。其可以使用多达4种材料，从而实现同时打印组织/器官内的不同组分，使用不同的细胞、细胞外基质和生物活性因子，并且使用精确的配比。

3. 构建速度快：能够快速的制造生物组织/器官，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。

3、3DDiscovery打印机适合于不同的生物材料
3DDiscovery打印机可以使用聚乳酸（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zhen皮中）、胶原蛋白、海藻酸钠、琼脂糖等。
也可以使用天然生物衍生材料，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、lin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，lin酸钙和水凝胶基体来形成生物相容性良好的骨骼。


图3-4 3DDiscovery打印机打印的相关组织工程支架
Cited from: Kajsa Markstedt, et al. Biomacromolecules,2015, Accepted.
4、中控平台
可以控制温度、湿度、光照、氧气/二氧化碳浓度。
制作盘温可温控：-5-80℃，便于打印温敏性材料以及低温成型材料。

图3-5 专业稳固的中央控制平台
5、相关案例参考
(1) Kajsa Markstedt, et al. 3D Bioprinting Human Chondrocytes with anocelluloseAlginate Bioink for Cartilage Tissue Engineering Applications. Biomacromolecules,2015, Accepted.
文章介绍了利用软骨细胞和纤维素－海藻酸钠配成的生物墨水来打印人体的软骨组织及应用（3DDiscovery打印机）。

图3-6 文章相关数据及图片

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

图3-7 打印后的组织结构的照片
苏黎世大学药物开发和物质测试中心运用RegenHU打印机（3DDiscovery打印机）进行了测试。文章介绍了打印主要人类成肌细胞和鼠肌腱细胞。免疫组织化学染色显示打印后的成肌细胞在分化培养的七天后成为肌球蛋白重链(绿色)，显示肌肉横纹特征和多核细胞。A1A2显示了整个打印后的组织结构的照片。B1B2打印的鼠肌腱细胞在分化培养5天后显示特有的成熟肌腱胶原蛋白。肌腱胶原I环绕在细胞核周围。
图3-8 骨骼肌细胞和肌腱细胞打印成组织后的增殖情况
（3）Markus Rimann, et al. Standardized 3D Bioprinting of Soft Tissue Models with Human Primary Cells. Journal of Laboratory Automation, 2015, 1–14
文章报道了使用人的原始细胞来进行皮肤软组织的三维打印培养（3DDiscovery打印机）。成纤维细胞被交替打印在bioink支架中并进行长达7周的培养。成纤维细胞完全填充在bioink支架中，活性良好并扩展到整个支架中。原代人皮肤角质细胞接种在成纤维细胞形成的这种结构中，形成了zhen皮特有的表皮样结构，这是初次对该类型的三维组织进行报道。


图3-9 成纤维细胞完全填充在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

图3-10蜘蛛丝蛋白水凝胶生成的三维细胞加载结构
生物墨水的生物印刷适应性是生物打印的大的瓶颈之一。文章报道了使用了重组蜘蛛丝蛋白作为生物墨水，发现其具有能够对细胞生存和增殖具有良好的适应能力，不需要交联剂、机械稳定添加剂或增稠剂。在这项研究中, 重组蜘蛛丝蛋白水凝胶可以自动生成的三维细胞加载结构，证明重组蜘蛛丝水蛋白凝胶在生物打印中具有良好的应用前景。
BioFactory三维生物打印机系统介绍
瑞士RegenHU BIOFACTORY是已知的三维打印机中功能强大的生物打印机，产品一经推出，立即受到组织工程领域的科学家的重视。其强大的动力系统、独特的转盘式选择定位系统、可扩展到8只打印头的材料选择平台，都为科学家的研究能力增加了强大的保障。

瑞士RegenHU BIOFACTORY活细胞组织三维打印制造强音

1、BioFactory系统动力系统介绍

图4-2 BioFactory系统动力系统综合介绍

图4-3 BioFactory可扩展到8只打印头
BioFactory大可以扩展到8只打印头，支持五种打印方式，让打印的组织赋予更多功能，可以构建更为复杂的组织；

图4-4 精确的三轴组合移动平台，打印精度高

2、BioFactory配置不同型号的打印头
配备多达5种不同型号的打印头，可以实现组织工程支架打印、细胞打印和对高分子，如蛋白质和多种有机大分子的打印。

1. CF300N (non heated)

2. CF300H (heated)

3. DD 135N

4. CF130N

5. UVPen-365

图4-5 BioFactory可实现组织工程支架打印、细胞打印较和生物大分子打印
3、BioFactory的适应性生物材料、生物墨水

图4-6 BioFactory适应多种水凝胶和高分子材料
达到200多种材料，涵盖牛顿力学和非牛顿力学材料，粘度在20–30000mPas之间都可以。

4、BioFactory打印环境控制能力
Flow box提供了灭菌功能，可以控制温度、湿度、光照、氧气/二氧化碳浓度。

图4-7 BioFactory的Flow box

5、BioFactory的主要优点

1. 高精度：可以精确控制水凝胶喷射位置和墨水的量，有利于生物显微结构的建立，有利于局部痕量供给生物活性因子及药物，从而有利于控制组织的局部生长发育。

2. 可以同时打印8种细胞和支架材料，更利于整体三维结构的构建，从而实现同时打印组织/器官内的不同组分，使用不同的细胞、细胞外基质和生物活性因子，并且使用精确的配比。

3. 构建速度快：能够快速的制造生物组织/器官，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。

4. 可以按需制造出符合个体需求的单个器官或组织，真正实现医学的个性化需求。

6、相关案例参考
（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杂志专门刊发RegenHU BioFactory的应用文章，介绍其在构建体外血液-空气组织屏障方面的应用
研究人员成功利用BioFactory的打印精度优点，采用内皮细胞和上皮细胞构建了肺泡体外三维模型，为研究血-空气屏障的体外组织提供了非常好的途径。


图4-8 相比于手工构建，生物打印的组织细胞生长均匀，可以快速成层生长，形成不同细胞层组成的组织结构

（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


图4-9通过共混温敏性聚合物聚-N-异丙基丙烯酰胺接枝透明质酸与甲基丙烯酸酯化的透明质酸，将其作为支架材料进行生物打印测试，结果显示其对于细胞具有良好的生物相容性。其形成的三维结构在打印后可以快速凝胶化，同时长期的机械性能稳定。在应用牛软骨细胞进行测试后，显示流变性能，溶胀行为都达到要求，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.

图4-10利用lin酸三钙和和羟基磷灰石3D打印多孔骨细胞生长支架，其具有良好的孔隙度和互联互通性能，特别符合成骨细胞生长。在羊颅骨模型测试中，证明其可以很好地促进皮质骨的纵向生长。相比于现有的骨替代材料，三维打印的多孔骨细胞生长支架可以提高垂直骨生长过程，植入羊颅骨模型显示其产生的新骨量比颅骨高3 mm，骨量比标准的材高四倍以上，显示其具有好的骨生长传导性（osteoconductivity）。

BioINK? / OsteoINK?生物材料介绍
瑞士RegenHU公司提供2种不同型号的打印水凝胶BioINK? / OsteoINK?
BioINK? / OsteoINK?对于大量细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气和营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的内生长均有良好的表现。

图7-1 BioINK? / OsteoINK?生物材料
BioINK? / OsteoINK?生物材料的优点

• 较好的可降解性及降解速率；

• 较好的材料机械力学强度；

• 支架具有适孔径分布和孔隙率，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。