生物3D打印設(shè)備 2

1、上海大學(xué)20142015 學(xué)年秋季學(xué)期研究生課程考試小論文課程名稱：材料成形工程 課程編號(hào)：09SAS9010 論文題目: 生物3D打印設(shè)備 研究生姓名: 邵軍強(qiáng) 學(xué) 號(hào): 14721629論文評(píng)語(yǔ):成 績(jī): 任課教師: 評(píng)閱日期: 生物3D打印設(shè)備邵軍強(qiáng)（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院）摘要：隨著生命科學(xué)與制造科學(xué)的快速發(fā)展，生物3D打印在生命科學(xué)領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，它是一門(mén)以細(xì)胞、活性分子和生物材料為基本單元的結(jié)構(gòu)生物體的制造科學(xué)，是工程及材料科學(xué)和生命科學(xué)交叉誕生的新興學(xué)科。隨著該技術(shù)的發(fā)展生物3D打印設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，為生物3D打印提供設(shè)備支持，進(jìn)一步促進(jìn)了生物3D打印技術(shù)的發(fā)展。本文

2、主要敘述了目前先進(jìn)的3D打印設(shè)備及其相關(guān)信息。關(guān)鍵詞：生物3D打印，設(shè)備3D BioprinterEquipmentSHAO JUNQIANG( Shanghai University EMSD and automation College)   Abstract:With the rapid development of life science and manufacturing science, biological 3 D printing get day by day the widespread application in the field of

3、life science, it is a door to cells, reactive molecules and biological material as the basic unit of organism structure of manufacturing science, engineering and materials science and life science cross the birth of the emerging disciplines.With the development of the technology of biological 3 D pr

4、inting equipment arises at the historic moment, provide equipment support for the 3 D printing, to further promote the development of biological 3 D printing technology.This paper mainly describes the current advanced 3 D printing equipment and related information.Keywords：3D Bioprinter，equipment1、N

5、ovoGenMMX Bioprinter生物打印機(jī)NovoGenMMX Bioprinter（圖1）是美國(guó)生物技術(shù)公司Organovo開(kāi)發(fā)出的一款生物打印機(jī)，可利用患者自身細(xì)胞“打印”靜脈?；蛟S，醫(yī)生有朝一日可以“按需打印”活體器官，包括血管和完整的器官。 MMX Bioprinter是 Organovo公司的一種新型的生物打印硬件和軟件平臺(tái)，其研究和發(fā)展走在了世界前列。 NovoGen MMX開(kāi)發(fā)，以滿足生物研究面臨的挑戰(zhàn)。該平臺(tái)采用預(yù)選或其他人體細(xì)胞和它們的形狀成三維組織，與巨大的細(xì)胞活力和生物學(xué)是優(yōu)越的，甚至是動(dòng)模型。該平臺(tái)正在使用Organovo的制藥合作伙伴今天最前沿的研究。圖1 N

6、ovoGenMMX Bioprinter生物打印機(jī)去年11月份，位于圣地亞哥的3D生物打印公司Organovo宣稱其3D打印肝細(xì)胞技術(shù)獲得突破，他們的研究人員成功地使用一個(gè)陣列的3D打印肝細(xì)胞測(cè)試了一種有毒的藥物。雖然其內(nèi)部的研究顯示，3D打印肝細(xì)胞對(duì)于乙酰氨基酚的反應(yīng)與人體環(huán)境內(nèi)的天然細(xì)胞類似，但這些結(jié)果并未得到外部研究者的驗(yàn)證。今年一月，該公司首此將其3D打印的肝臟樣本送到外部的實(shí)驗(yàn)室，即生物技術(shù)巨頭羅氏制藥（Roche Pharmaceutical）的實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行研究。幾個(gè)月后，Organovo終于得到來(lái)自羅氏制藥的積極反饋信息。 2014年6月26日，在德國(guó)舉行的3D細(xì)胞培養(yǎng)2014會(huì)

7、議上，羅氏藥物安全的負(fù)責(zé)人Adrian Roth博士公布了他們對(duì)于來(lái)自O(shè)rganovo公司的3D打印肝細(xì)胞的研究結(jié)果。Roth博士說(shuō)，通過(guò)以適當(dāng)?shù)姆绞綔y(cè)定肝臟對(duì)毒素的反應(yīng)，他們獲得了兩個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：1、Organovo的3D肝臟系統(tǒng)能夠從已知是無(wú)毒的近似化學(xué)類似物中區(qū)分出可導(dǎo)致藥物性肝損傷（DILI）的有毒藥物。2、3D打印肝系統(tǒng)在有關(guān)生理劑量范圍內(nèi)檢測(cè)到了有毒化合物的毒性，這是一個(gè)重要的觀察結(jié)果，因?yàn)槭褂闷渌哪M肝系統(tǒng)對(duì)該有毒化合物測(cè)試并沒(méi)得出此結(jié)果。換句話說(shuō)，3D打印肝細(xì)胞能夠清晰地區(qū)分出兩種類似的化學(xué)品對(duì)于肝臟的完全不同的效果，一種有毒和另一種無(wú)毒。 此外，3D打印肝細(xì)胞能夠檢測(cè)出其他手

8、段檢測(cè)不到的毒性水平。如果這一結(jié)果得到進(jìn)一步證實(shí)的話，Organovo毫無(wú)疑問(wèn)能夠得到來(lái)自制藥公司的大量訂單。Organovo公司首席執(zhí)行官Keith Murphy說(shuō)，失敗的藥物占制藥公司研發(fā)成本支出的40?！八?，如每年（醫(yī)藥行業(yè)）藥物研發(fā)支出超過(guò)500美元，我們的技術(shù)將有機(jī)會(huì)節(jié)省200億美元以上的成本?！备匾氖牵麄兊纳锎蛴」に嚹軌蚴剐滤幐斓赝葡蚴袌?chǎng)，因?yàn)榧?xì)胞檢驗(yàn)的功效的增加，使得動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以被繞過(guò)。 一旦FDA批準(zhǔn)其3D打印肝臟測(cè)試系統(tǒng)，Organovo公司就可以為藥品生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行測(cè)試，甚至出租或出售其NovoGen MMX 3D生物打印機(jī)給一些制藥公司進(jìn)行新藥研究。據(jù)天工社了解

9、，與此同時(shí)該公司正在準(zhǔn)備3D打印更多的細(xì)胞類型，包括腎和乳腺癌組織細(xì)胞1。2、3Dynamic Systems 生物打印機(jī)近日，英國(guó)斯旺西（Swansea ）大學(xué)下屬的的生命科學(xué)技術(shù)公司3Dynamic Systems （3DS）開(kāi)發(fā)出了兩款不同的新型3D生物打印系統(tǒng)。這兩款機(jī)器能夠使用各種生物活性和生物相容性材料用于3D打印。 目前3Dynamic Systems公司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)。該公司已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出一種適合打印骨骼的符合材料以及能夠打印出高度復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的3D生物打印技術(shù)。這一讓人振奮的技術(shù)突破可能有一天會(huì)被用于治療嚴(yán)重受傷的病人。 3Dynamic

10、Systems公司開(kāi)發(fā)出的第一個(gè)系統(tǒng)是 3Dynamic Alpha Series（圖2），它是一個(gè)單一擠出式骨組織制造平臺(tái)。該機(jī)器產(chǎn)生的磷酸鈣類骨可用于再生嚴(yán)重非穩(wěn)定性骨折。通過(guò)以3D的形式精確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(guò)種入血小板源生長(zhǎng)因子，可以形成適宜干細(xì)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)包括血管。圖2 3Dynamic Alpha Series生物打印機(jī)第二個(gè)系統(tǒng)是雙重?cái)D出的3Dynamic Omega Series（圖3）生物打印機(jī)，該打印機(jī)可以用來(lái)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(xì)胞混合組織以用于

11、藥物測(cè)試。該公司也正在探索使用該機(jī)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。圖3 3Dynamic Omega Series生物打印機(jī) 3Dynamic Omega Series組織工程工作站，是一個(gè)雙擠出式3D生物打印機(jī)，可使用生物活性凝膠、蛋白質(zhì)生長(zhǎng)因子和支架作為原料，生成復(fù)雜的多細(xì)胞混合組織，該組織成熟后即成為活性組織結(jié)構(gòu)。3DS的這兩款3D生物打印設(shè)備使用起來(lái)都很方便，在生物技術(shù)研究領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景?？茖W(xué)家們可以使用它們制造出自己所需要的生物組織以用于試驗(yàn)研究。此外，3DS的3D生物打印技術(shù)研究也正朝著按需直接生物制

12、造人體組織以用于移植的目標(biāo)邁進(jìn)234。3、BioFactory® 生物打印機(jī)該設(shè)備由瑞士 regenhu公司開(kāi)發(fā)，BioFactory®（圖4）是一個(gè)與細(xì)胞相容性高且多功能的三維制造儀器，能夠建立一個(gè)具有復(fù)雜類活體內(nèi)型態(tài)的組織結(jié)構(gòu)，科學(xué)家可以設(shè)定細(xì)胞、生物分子與軟硬材料來(lái)建構(gòu)一個(gè)與自然相仿的3D結(jié)構(gòu)材料。從而能夠更好地反映細(xì)胞行為、細(xì)胞間的相互作用和分化過(guò)程5。其主要參數(shù)及信息如表1所示：圖4 BioFactory® 生物打印機(jī)表1 BioFactory® 生物打印機(jī)主要參數(shù)及信息可選用的材料規(guī)格概要關(guān)鍵技術(shù)生物大分子鈣細(xì)胞信號(hào)分子（蛋白質(zhì)）水凝膠膠原蛋

13、白聚己內(nèi)酯聚酯外形尺寸：580/540/570mm機(jī)械手臂精度：±10m制作范圍：130x90x60mm4個(gè)打印頭粘度范圍可達(dá)10'000mPaS射出精度達(dá) nl打印頭具加熱功能（最高至250）制作盤(pán)溫可溫控（80 ）在單一模型中同時(shí)結(jié)合細(xì)胞校號(hào)分子生物材料獨(dú)家技術(shù)提供細(xì)胞及生物分子良好的空間控制組件可升級(jí)使用 BioCAD可輕松繪制模型 模擬生理環(huán)境可選擇專用實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)或無(wú)菌罩4、PrintAlive 3D生物打印機(jī)今年的國(guó)際著名發(fā)明獎(jiǎng)James Dyson Awards授給了由兩位加拿大學(xué)生開(kāi)發(fā)的3D生物打印機(jī)PrintAlive（圖5）。該生物打印機(jī)，能夠制造人造皮膚

14、以用于燒傷患者的皮膚移植。目前，雖然PrintAlive仍處于商業(yè)化之前的開(kāi)發(fā)階段，但這種方法顯然比用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行皮膚移植更為有效，因此可望在醫(yī)療領(lǐng)域擁有光明的應(yīng)前景。圖5 PrintAlive 3D生物打印機(jī)這臺(tái)PrintAlive 3D生物打印機(jī)是由兩個(gè)多倫多大學(xué)的工程專業(yè)學(xué)生（專業(yè)方向分別是機(jī)械和生物醫(yī)學(xué)工程）共同開(kāi)發(fā)的。她們是： Arianna McAllister和Lian Leng。 它開(kāi)始是兩個(gè)人的MASc碩士項(xiàng)目，這之后Leng將其作為博士項(xiàng)目繼續(xù)進(jìn)行研究。值得注意的是，他們的PrintAlive生物打印機(jī)與傳統(tǒng)的擠出式3D打印技術(shù)還是有一些相似之處的。但是，這臺(tái)3D生物打印

15、機(jī)并不是像FDM 3D打印機(jī)那樣一層層地堆積可移植皮膚。而是擠出一種被稱為“活繃帶”的水凝膠。該凝膠是由生物聚合物、人角質(zhì)形成細(xì)胞（一種皮膚細(xì)胞）和成纖維細(xì)胞（即在傷口愈合中起關(guān)鍵作用的蜂窩結(jié)構(gòu)體）混合而成的。然后該混合物以3D結(jié)構(gòu)被擠出，在醫(yī)療專業(yè)的眼光看來(lái)，它很象人類皮膚的外層表皮和真皮層。在擠出過(guò)程中，該混合物被打印成離散和清晰的蜂窩結(jié)構(gòu)體，以模仿實(shí)際的皮膚細(xì)胞。這使得它成為治療燒傷患者特別有用的物質(zhì)，因?yàn)樗梢院?jiǎn)單地覆蓋在燒傷創(chuàng)面上。 最突出的是，該水凝膠可以短時(shí)間大量的制造，而其他生長(zhǎng)細(xì)胞的方法則通常需要數(shù)周的培養(yǎng)，據(jù)天 工社所知，這種時(shí)間的拖延往往會(huì)使很多患者傷情惡化。正如打印機(jī)的

16、發(fā)明者指出的那樣：“對(duì)于一些嚴(yán)重的燒傷患者，其皮膚的表皮和真皮層往往都受到嚴(yán)重破壞，加速傷口縫合是有利于患者治療，降低死亡率的關(guān)鍵; 燒傷后，患者的生存率與傷口穩(wěn)定所需時(shí)間和燒傷面積成反比關(guān)系，燒傷面積每增加10，燒傷患者的生存可能性就降低10%?！币虼?，PrintAlive生物打印是提高燒傷患者存活率的重要一步。在不久的將來(lái)，她們希望能夠即刻制造出大型的定制水凝膠片。 除此之外，她們的3D打印皮膚混合物還有其他的優(yōu)勢(shì)。由于PrintAlive使用患者自身的細(xì)胞，從而減少了感染，甚至排異的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)它還能有效降低治療成本。發(fā)明者解釋說(shuō)：“我們能夠高度集中地定位投放人體細(xì)胞，而不是在整個(gè)面上均勻

17、地填充，從而將所需細(xì)胞的數(shù)量減少了75%。同時(shí)也使的移植手術(shù)的準(zhǔn)備時(shí)間相應(yīng)地減少?！?不過(guò)，在PrintAlive 3D生物打印機(jī)被全世界的醫(yī)院普遍應(yīng)用之前還有許多工作要做。Leng 和McAllister目前正在開(kāi)發(fā)她們的第二代原型機(jī)，產(chǎn)品仍然還沒(méi)進(jìn)入商用階段。 他們正在研究開(kāi)發(fā)適用于復(fù)雜動(dòng)物模型的更大打印機(jī)。希望在不久的將來(lái)，能夠看到在商業(yè)上可用的PrintAlive 3D生物打印機(jī)6。5、Regenovo 3D-BioPrinter 生物打印機(jī)Regenovo 3D-BioPrinter（圖6）是捷諾飛公司與杭州電子科技大學(xué)聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)的全球領(lǐng)先的生物3D打印機(jī)，具有打印生物材料種類多、

18、對(duì)細(xì)胞損傷率低、打印精度高、集成化程度好和操作方便等特點(diǎn)。在生物材料兼容性、細(xì)胞打印成活率等參數(shù)上處于全球領(lǐng)先水平7。其相關(guān)參數(shù)及技術(shù)如表3所示：圖6 Regenovo 3D-BioPrinter生物打印機(jī)表3 Regenovo 3D-BioPrinter生物打印機(jī)相關(guān)參數(shù)及技術(shù)設(shè)備參數(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)應(yīng)用領(lǐng)域三軸自動(dòng)定位系統(tǒng)成型速度：最大170mm/s控制精度(XYZ)：0.02/300mm成型范圍：160*160*150mm高溫噴頭：50260低溫噴頭：-565打印底板：-565設(shè)備尺寸和重量：64*50*70cm 50kg直接支持?jǐn)?shù)據(jù)格式：STL、GCODE操作系統(tǒng)：Windows系統(tǒng)電源：110240V AC噴頭自清潔生物材料兼容性、細(xì)胞打印特性等參數(shù)上處于國(guó)際領(lǐng)先水平。打印生物材料種類多打印活細(xì)胞損傷率低打印精度高、空間大為生命科學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究者提供新的研究工具；為器官缺損患者打印人工組織器官或組織修復(fù)支架；為制藥公司