美国nScrypt高精度多材料3D打印系统
分类: 最上层  发布时间: 2015-05-12 21:00 

美国nScrypt高精度多材料3D打印系统
美国nScrypt高精度多材料3D打印系统是由世联博研(香港)科技有限公司代理或销售的nScrypt品牌的仪器,产品来源于美国。世联博研(香港)科技有限公司是中国最权威的美国nScrypt高精度多材料3D打印系统销售服务商之一,在北京等地方销售美国nScrypt高精度多材料3D打印系统已经多年。同时,生物在线为您提供众多企业美国nScrypt高精度多材料3D打印系统仪器产品及图片,以便挑选到性价比高,合适的美国nScrypt高精度多材料3D打印系统产品

nScrypt公司简介: nScrypt, Inc.公司主要生产智能微挤出喷头和3D打印机,已经广泛而深入对一些列的材料进行了可挤出的实验;其智能打印喷头(SmartPump™)相对于其他公司的打印喷头具有显著的优势。该公司致力于3D打印(3D printing)、直接打印(direct printing)和微沉积(micro dispensing)领域的研究,已经拥有了能够在太阳能电池金属化(solar cell metallization)、微电子材料、生命科学和化学制药行业能够应用的打印技术。  该公司的3D打印机(图一)主要包括两个系列: 桌面系列(Tabletop-Series 和3Dns系列(3Dn-Series);其智能打印喷头(图二)主要包括:智能喷头(Smart Pump),混合喷头(Mixer)溅射喷头(Sprayer)。多种类型的挤出喷头和和不同规格的3D打印机搭配使用,令该公司3D打印机具有更大的DIY空间,能够在不同领域具有更加广泛的应用。 在生物打印组织工程领域,该公司拥有成熟的技术和丰富的经验,共提供了两种机型可以进行生物组织打印,分别是桌面机(Tabletop-Series)和3Dn-300,这两种机型和该公司的智能喷头配合,可以成功进行组织工程支架打印,该公司的打印机在电脑辅助生物技术/电脑辅助加工技术( Computer Aided Biology (CAB)/Computer Aided Machining (CAM) technolog)帮助下,利用智能打印喷头首次真正实现了根据需求实时大规模定制多种人类组织和器官。而且,该公司也在生物打印材料方面也有丰富的经验,研究过多种生物材料的可打印性能。 图一,3D打印机 图二,智能打印喷头系列 图三, 生物打印技术概述 nScrypt公司的的智能打印喷头简介  nScrypt公司主要包含三个系列打印喷头(图一):挤出打印喷头(Smart Pump)、主动混合打印喷头(Mixer)和溅射打印喷头(sprayer)。这三个系列喷头又有多个不同的型号,以满足打印不同的精度的的要求。这个打印喷头系拥有统一移动平台和控制软件以及高度感应器(Height Sensors)包括供给测高探针和激光探针(touch probe,laser)等,有效的帮助打印机进行精确打印。 图一,打印喷头系列图示 这个打印针头系统几乎可以打印任何东西!如图二 图二,无所不能的智能打印喷头

混合打印喷头(Mixer)

混合打印喷头又叫主动混合打印喷头,可满足研究过程中的多组分加工过程,主要应用多组分环氧树脂、生物高分子等,主动混合要求混合均匀,小的混合体积,和较短的停留时间。相对于被动混合,主动混合有自发性、更容易达到均匀混合的目的。这里主要介绍三组分混合打印喷头(图三)。该打印喷头拥有三个独立控制的线性活塞推动进料嘴来进行原料混合称为混料缸(mixing bowl),然后原料被注入到800微米的不锈钢槽中进行自发均匀混合。混合示意如图四。???  图三,三组分混合打印喷头 图四,三种原料进行混合示意图,青色代表混合均匀。

直接打印

直接打印的即使用智能打印喷头(图五)打印,

它拥有如下优势:

  1. 无掩膜(Maskless)
  2. 可以打印几乎任何材料:金属,陶瓷,磁性材料,聚合物,半导体,和活细胞
  3. CAD/CAM是的具有高度重复性
  4. 快速成型
  5. 高效材料利用率
  6. 环境友好性

图五,智能打印喷头

硬件特点

  1. 纳米专利喷头(Patented Nano Pumping),拥有专用倒吸控制装置。
  2. Z轴跟踪(Z tracking)
  3. CA结合图形定义(CAD defined geometry)容易进行修改和无掩膜制造。
  4. 手把手教学。

打印案例

  1. 动态打印和保形打印

图六,可以直接活体打印和在不均一表面打印

  1. 可以直接在活体生物上打印(图七)

图七,活体生物打印

  1. 直接打印支架

图八,直接打印的PCL生物支架

3.溅射打印喷头(图九)

溅射打印的时候,最高可以打印5000cp的材料。  图九,溅射打印喷头构造 图十,溅射打印喷墨打印示意图 综上所述,上述三种打印喷头的设计可以满足各种材料的打印要求。无论是直接打印,混合打印和溅射打印,都具有很高的材料兼容性和使用性,对于科学研究和工业制造具有巨大的促进作用,而Z轴跟踪技术在不规则表面打印的时候至关重要。因此,这是一个精密、高度可重复的3D打印技术平台。 nscrypt3D打印机系统简介  3Dn-series 系列打印机  3Dn-series 系列打印机将精密打印灵活DIY高度整合在了一起,让你即可以实现精密打印同时也能够满足特殊要求。3Dn-series 系列可以提供均一的日常使用微沉积系统或者满足特殊的3D打印微沉积应用。它的铸铝结构、花岗岩基座和精密Aerotech精密龙门笛卡尔龙门系统都是实现精密打印的有力保障,系统的精密光学算法则为你控制这个系统提供无可比拟的优势。 我们的独特的网格映射和路径映射技术则可以为不均一表面的涂覆打印提供方便。例如,如果一个电路板是倾斜的或者一个托盘高度不均一,在这个网格映射和路径映射技术的帮助下,不需要调整这个电路板或者托盘的位置,即可实现在其表面的精密打印。不管这个表面结构如何,三维映射都能够帮我们实现在其表面的精确连续打印。 此外,这个机器也是可以高度DIY的机型。可以按照你的实验设计要求进行组装修改,以满足实验设计要求。其单位挤出体积、控制系统(handling system)、外观( vision)、灯光( lighting)、用户操作界面和部分移动平台都可以进行修改来满足新要求。可能技术有点难度,但是只要你想,都能够实现。 这个系统随之搭配的智能打印喷头系统(SmartPump™)可以搭配多种智能的打印喷头(点击查看智能挤出喷头介绍),可以帮助实现打印粘度从1 centipoise (cps) 到1,000,000 cps的多种材料,只要你有材料(无论是生物材料、无机材料、有机材料),为何不尝试一下呢!伺服控制喷头(servo-controlled pump )可以打印点和线,可以直径能够达到50µm;并且,其单位挤出的体积可以精确控制。微沉积喷头( micro dispense pump)可以提供动态的沉积控制,并且随着材料的改变,喷头的控制软件可以随之改变来来实现更好的控制效果。

3Dn-series优势

    • 该系列3D打印机采用的aerotech公司的Aerotech AGS1000 Gantry(3Dn-300 Series)和Aerotech AGS1500 Gantry(3Dn-450 Series和 3Dn-600 Series)笛卡尔龙门系统作为移动平台同时使用A3200作为控制器,来进行精确控制。而aerotech公司在精密定位平台和运动控制处于世界领先地位。
    • 打印分辨率高,到了亚微米级别,为0.1微米。因此,这对于生物打印,尤其是对于毛细血管制造,复杂的机体生物组织的打印,具有巨大的帮助促进作用。
    • 3Dn-300可以作为专门的生物打印机,配合多种打印喷头的使用,可以进行多种生物材料打印、生物三维细胞支架打印、复杂组织结构打印、器官模型的打印等。
    • 可选择的多种智能喷头系统:SmartPump™ 100, Heated SmartPump™ 100, SmartPump™ 20, Pneumatic Pressure Pump, Heated Pneumatic Pressure Pump, ηPD Positive Displacement Pump, ηDrill Micro;利用这些喷头系统,可以实现单一材料的挤出打印,溅射打印,打印点、面、线、三维结构等。
    • 可以直接输入CAD的.DWG文件,方便进行三维模型设计输入
    • 兼容多种打印材料,可以进行生物打印,无机材料打印,电路打印,电阻打印等等;功能强大
  1. 行程大,其X/Y/Z方向的最大行程分别可达:3Dn-300,300mm×300mm×100mm;3Dn-450,450mm×50mm×150mm;3Dn-600,600mm×600mm×150mm 。

速度高,X/Y方向的移动打印速度最大均可以达到300mm/s(3Dn-300 Series)和500mm/s(3Dn-450 Series和 3Dn-600 Series),Z方向最大速度可达100mm/s(3Dn-300 Series)150mm/s(3Dn-450 Series和 3Dn-600 Series),在这样的打印速度下,3D构筑模型的速率被成倍的提高。

参数简介

 

3D打印机型号

参数

3Dn-300

3Dn-450

3Dn-600

移动平台(Motion System

Aerotech AGS1000 Gantry

Aerotech AGS1500 Gantry

Aerotech AGS1500 Gantry

X/Y/Z 驱动

直线伺服电机(Servo driven linear

直线伺服电机(Servo driven linear

直线伺服电机(Servo driven linear

X/Y 打印速度(Printing Speed

300mm/s

500mm/s

500mm/s

X/Y/Z 行程(Travel Range

300mm×300mm ×100mm

450mm×50mm×150mm

600mm×600mm×150mm

X/Y/Z 分辨率(Resolution

0.1/0.1/0.5µm

0.1/0.1/0.5µm

0.1/0.1/0.5µm

X/Y双向重复性(Bidirectional Repeatability

±2µm

±2µm

±2µm

Z双向重复性(Bidirectional Repeatability

± 1µm

± 1µm

± 1 µm

X/Y 最大加速度(Maximum Acceleration

2g - 20 m/s2 (空载)

2g - 20 m/s2 (空载)

2g - 20 m/s2 (空载)

Z最大速度

200mm/s

300mm/s

300mm/s

X/Y 定位精确度(Accuracy

±5µm

±5µm

±5µm

Z定位精确度(Accuracy

± 6 µm

± 6 µm

± 6 µm

控制器

Aerotech A3200

Aerotech A3200

Aerotech A3200

外观尺寸(LxWxH)

112 x 94 x 176 cm

138 x 130 x 213 cm

138 x 130 x 213 cm

重量

1361 kg

2722 kg

4083 kg

装配电压

Single Phase, 208 VAC, 30 A

Single Phase, 208 VAC, 30 A

Single Phase, 208 VAC, 30 A

输入压缩空气压力

80 to 120 psi(干燥过滤空气或氮气)

80 to 120 psi(干燥过滤空气或氮气)

80 to 120 psi(干燥过滤空气或氮气)

实时***

紫外固化点光源

真空吸笔

基台加热

是否适配多种智能挤出泵喷头系统

自动校准

手动校准

适用范围

只要是能够用来打印的材料,都可以进行打印。配合该公司的专利智能挤出泵喷头系统,可以进行多种材料的打印。包括单一挤出打印,混合挤出打印和溅射喷墨打印等,该打印机不但可以打印常规的线结构,还可以打印点、柱等特殊结构。可以多种材料的打印。  行打印的生物支架材料。

  1. 聚已内酯(PCL),PCL经常使用与生物可降解支架材料的打印,形成具有空隙和强度的支架结构。可以用于药物释放和抗体载体等。
  2. Ⅰ型胶原,这个一个具有生物活性,可以部分溶解的水凝胶,能够将细胞包括在三维结构内,进行三维培养,同时打印成特殊的三维细胞结构。
  3. Pluronic F-127,是一种水凝胶结构,具有温度敏感性,可以用来做支架材料的打印
  4. 琼脂糖 可以在高温下进行打印,做支架材料

无机材料的打印

  1. 羟基***灰石
  2. 电阻
  3. 焊料

打印机使用案例

  1. 无机材料打印[1]

  1. 生物材料打印案例[2-4]

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图13,人体白细胞的打印

[1] Li B, Clark PA, Church KH, Asme. Robust direct-write dispensing tool and solutions for micro/meso-scale manufacturing and packaging. New York: Amer Soc Mechanical Engineers; 2007. [2] Li B, Roy TD, Smith CM, Clark PA, Church KH, Asme. A robust true direct-print technology for tissue engineering. New York: Amer Soc Mechanical Engineers; 2007. [3] Smith CM, Stone AL, Parkhill RL, Stewart RL, Simpkins MW, Kachurin AM, et al. Three-dimensional bioassembly tool for generating viable tissue-engineered constructs. Tissue Eng 2004;10:1566-76. [4] Kachurin AM, Stewart RL, Church KH, Warren WL, Fisher JP, Mikos AG, et al. Direct-write construction of tissue-engineered scaffolds. In: BarCohen Y, Zhang QM, Fukada E, Bauer S, Chrisey DB, Danforth SC, editors. Electroactive Polymers and Rapid Prototyping. Warrendale: Materials Research Society; 2002. p. 351-6.   3Dn-Tabletop 桌面级3D打印机  nSrypt的桌面级打印机3Dn-Tabletop在3D打印精度和挤出体积的控制方面都具有无与伦比的精密度。它的最大特点是使用了高度精确的Aerotech Pro 115系统,在工业应用中具有最好的打印(XYZ)精度。这个机器可以进行DIY,很多构件都可以重新配置,其单位挤出体积、形态、光照和图形用户界面甚至部分的驱动平台都可以被改变来满足你的新要求。同时,它还是一款生物打印机,能够进行多种生物材料打印,三维生物支架打印,器官模拟打印等。

优势

      • 分辨率非常高,在X/Y/Z方向均达到了0.5微米,这远远超越目前市面上的绝大部分打印机。这其高精度的实线主要是借助于aerotech Pro 115动力平台和Aerotech A3200 控制器。而aerotech公司在精密定位平台和运动控制处于世界领先地位。
    • 可选择的多种智能打印喷头系统:SmartPump™ 100,Heated SmartPump™ 100, SmartPump™ 20, Pneumatic Pressure Pump,Heated Pneumatic Pressure Pump,PD Positive Displacement Pump,Drill Micro,Three-head Mixer Pump等,利用这些喷头系统,可以实现单一材料的挤出打印,多种材料的均匀混合打印、溅射打印,打印点、面、线、三维结构等。(点击查看智能打印喷头系统介绍)
    • 可以直接输入CAD的.DWG文件,方便进行三维模型设计输入。
      • 兼容多种打印材料,可以进行生物打印,无机材料打印,电路打印,电阻打印等等;功能强大。
    • 行程大,其X/Y/Z方向的最大行程分别可达:300/150/100mm。
      • 速度高,X/Y方向的移动打印速度最大均可以达到100mm/s,Z方向最大速度可达50mm/s,这对于高精度的打印机是一个挑战。可以实现在高精密的条件下,快速的构建打印模型,减少打印时间,同时保证模型的精细度。
      • 该桌面打印机的实际打印精度高、对材料兼容能力,已经远远超出了桌面的范围,甚至比一些研究型的3D打印机功能更加强大。

参数简介

    参数

    移动平台(Motion System

    Aerotech Pro 115

    X/Y/Z 驱动

    伺服电机驱动滚珠丝杆

    X/Y 打印速度(Printing Speed

    0-100mm/s

    X/Y/Z 行程(Travel Range

    300 x 150 x100 mm

    X/Y/Z 分辨率(Resolution

    0.5 µm

    X/Y双向重复性(Bidirectional Repeatability

    ±2µm

    Z双向重复性(Bidirectional Repeatability

    ±1µm

    X/Y 最大加速度(Maximum Acceleration

    2g - 20 m/s2 (空载)

    Z最大速度

    50mm/s

    X/Y 定位精确度(Accuracy

    ±12µm

    Z定位精确度(Accuracy

    ±6µm

    控制器

    Aerotech A3200

    外观尺寸(LxWxH)

    970 x 920 x 1220 mm

    重量

    227 kg

    装配电压

    115 or 230 VAC, 20 A

    输入压缩空气压力

    80 to 120 psi(干燥过滤空气或氮气)

    实时***

    紫外固化点光源

    真空吸笔

    基台加热

    是否适配多种智能挤出泵喷头系统

    自动校准

    手动校准

    更多参数请看附件。

适用范围

    只要是能够用来打印的材料,都可以进行打印。配合该公司的专利智能打印喷头系统,可以进行多种材料的打印。包括单一挤出打印,混合挤出打印和溅射喷墨打印等,该打印机不但可以打印常规的线结构,还可以打印点、柱等特殊结构。可以多种材料的打印。  行打印的生物支架材料。

    1. 聚已内酯(PCL),PCL经常使用与生物可降解支架材料的打印,形成具有空隙和强度的支架结构。可以用于药物释放和抗体载体等。
    2. Ⅰ型胶原,这个一个具有生物活性,可以部分溶解的水凝胶,能够将细胞包括在三维结构内,进行三维培养,同时打印成特殊的三维细胞结构。
    3. Pluronic F-127,是一种水凝胶结构,具有温度敏感性,可以用来做支架材料的打印
    4. 琼脂糖可以在高温下进行打印,做支架材料

    无机材料的打印

    1. 羟基***灰石
    2. 电阻
    3. 焊料

打印机使用案例图片

 

 

 

    图1.生物支架材料

    图2.打印点

    图3.打印垂直柱体

    图4.打印聚已酸内酯(PCL)三维支架和立体结构
     
     
     
     

    瑞士RegenHU打印机—活细胞组织三维打印制造最强音

     
     
     
     
     

    瑞士RegenHU公司目前主要有两款产品,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。  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全球领先地位。瑞士RegenHU 3D生物打印与制造系统已经广泛用于再生医学、组织工程、癌症、干细胞、医用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最适孔径和孔隙率。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系列产品完美地解决了以上问题,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。  目前,瑞士RegenHU公司的3DDiscovery 和BioFactory系列产品已经广泛应用于为生命科学、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、医用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,收到业内的广泛重视。

    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,运动精度更高。机械手臂精度控制在±10um之内,保证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,该设计可保证打印过程中所打印的细胞或分子保持液态,打印后又可以立即凝固,以维持黏弹性状态。这种液态到固态的变化保证不引起细胞、生物活性因子以及其他微粒的损伤,保证细胞的存活,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最高的一种。采用气压来作为动力的优势还在于满足保证细胞的存活率、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。

    3-2 3DDiscovery打印机的气压接入系统

    3DDiscovery打印机喷头相关参数 喷头原理:电磁射流技术+微控阀门 喷嘴直径150um—2mm 喷射压强:2060 kPa( Dispensing pressure ) 微控阀门喷射时间4001200 us(valve opening time ) 喷射点距:0.050.07 mm(dosing distance)

      3-3 3DDiscovery打印机的水平的排布方式  目前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打印机喷头的优势

    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,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。

    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(韧带及真皮中)、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***灰石、***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,***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、完善的中控平台  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***肤角质细胞接种在成纤维细胞形成的这种结构中,形成了真皮特有的表皮样结构,这是第一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目前最大的瓶颈之一。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是目前已知的三维打印机中功能最为强大的生物打印机,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。 图4-1 瑞士RegenHU BIOFACTORY三维打印系统

    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最大可以扩展到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,打印精度更高

    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的主要优势

    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,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。
    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的打印精度优势,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,同时保证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***酸三钙和和羟基***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,显示其具有更好的骨生长传导性(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®生物材料的优势

      • 较好的可降解性及降解速率;
      • 较好的材料机械力学强度;
      • 支架具有最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。

      BioINK® / OsteoINK®材料能够同时满足多项活细胞3D打印的需求:速度快,可以达到秒级成型;条件温和,过程完全在生理条件下完成,不涉及化学反应以及能够对细胞造成伤害的外界刺激;强度、通透性好,打印出来的产品最终尺寸可以达到厘米级别以上的尺度,不变形和软化,还能够保证细胞生长所需营养物质的输送;具有良好的触变性和自修复性能,在细胞生长的同时可以不断改变自身的结构,能够在保证对细胞提供足够支撑的情况下不限制其扩增;可以根据需要迅速分解不残留,这些特点为将来3D打印器官的活体移植创造了条件。

     
     
     

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