BIONOVA X 3D生物打印机在组织工程中的前沿应用及复杂器官模型构建

Cellink BIONOVA X 是一款先进的 DLP（数字光处理）技术 3D生物打印机，专为高分辨率、快速和生物友好的打印设计，主要用于生物医学和组织工程领域。它在药物开发、疾病建模和再生医学等高通量研究中发挥着重要作用。

近期研究中，使用 BIONOVA X 打印的模型涵盖了多种应用，从肝脏组织到心肌微组织，甚至神经系统疾病建模。通过这款3D生物打印机，研究者能够在高通量平台上快速创建精确的3D 结构，极大提升了打印速度和精度，尤其是在构建具有复杂微结构的组织时，BIONOVA X 可以轻松实现多细胞类型和多材料的高效组合。为再生医学和个性化药物筛选提供了新的可能性。

一 肝脏模型（Liver model）构建

1. Deterministically Patterned Isomimetic Human iPSC-derived Hepatic Model via Rapid 3D Bioprinting

通过快速3D生物打印构建具确定性图案的仿生人类iPSC衍生肝脏模型

这篇文章的主要目标是通过快速3D生物打印技术，构建一种由人诱导多能干细胞（hiPSCs）衍生的仿生肝脏模型，用于个性化药物筛选和疾病研究。

肝脏模型的构建背景
肝脏在蛋白质合成和代谢功能中起着重要作用，肝功能的丧失与疾病发展和药物毒性密切相关。因此，开发体外肝脏模型对于药物筛选和疾病研究具有重要意义。然而，目前的体外肝脏模型常常缺乏生理相关的微环境，导致肝细胞在培养中迅速失去其功能。

iPSCs在肝脏模型中的应用
人诱导多能干细胞（hiPSCs）被认为是开发个性化肝脏模型的理想细胞来源。与原代肝细胞相比，hiPSCs更易获取并且具备分化成肝细胞的潜力。研究中利用了hiPSCs通过特定分化流程衍生成肝前体细胞（HPCs），这些细胞能进一步分化为成熟的肝细胞。

3D生物打印技术的优势
本研究采用了数字光处理（DLP）技术来快速打印三维肝脏模型。DLP技术能够通过光固化水凝胶，以高分辨率和快速的打印速度构建复杂的三维微结构。该技术不仅提高了打印速度，还能够精确控制细胞和材料的空间排列，模拟肝脏的六边形结构单元。

肝脏模型的细胞组成与微结构
该模型采用了三重培养体系，包括hiPSC衍生的肝前体细胞（HPCs）、人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和脂肪干细胞（ADSCs）。这些细胞被嵌入到具有生理相关性六边形结构的水凝胶中，这种结构模仿了肝脏小叶的组织排列。通过多步的3D打印过程，不同细胞类型在支架中被精确定位。

3D培养条件下的肝细胞功能增强
与传统的二维培养相比，三维培养体系中的hiPSC-HPCs展示了更好的形态学组织化、肝特异性基因表达水平提升、代谢产物分泌增加以及细胞色素P450（CYP）酶的诱导增强。这表明，在3D仿生环境中，肝前体细胞得到了更好的功能维护和成熟。

应用前景
这种基于3D生物打印的肝脏模型为早期药物筛选和个性化疾病模型提供了一个平台。通过结合不同细胞类型和仿生结构，该模型能够模拟肝脏的多细胞相互作用和微环境，尤其是在药物代谢和毒性预测方面具有重要的应用潜力。

总结
这篇文章通过DLP 3D生物打印技术成功构建了一个生理相关的人iPSC衍生肝脏模型，不仅有效增强了肝细胞的功能，还展示了该模型在药物筛选和疾病建模中的应用前景。这种模型具有巨大的临床转化潜力，尤其是在个性化医学和早期药物筛选方面。

2. Rapid 3D bioprinting of decellularized extracellular matrix with regionally varied mechanical properties and biomimetic microarchitecture

具有区域性可变机械性能和仿生微结构的去细胞外基质的快速3D生物打印
 

这篇文章的主要目标是通过快速3D生物打印技术，利用去细胞外基质（dECM）构建具有区域性可变机械性能和仿生微结构的肝脏模型。这种模型主要用于研究肝细胞癌（HCC）在病理环境下的进展与侵袭行为。

去细胞外基质的制备
文章首先使用去细胞技术从猪肝脏中提取出去细胞外基质（dECM），这个过程包括去除细胞、保存胶原纤维和基质的关键成分。随后，dECM与可光交联的明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）混合，生成可用于光固化3D生物打印的水凝胶溶液。

3D生物打印技术的应用
本文采用DLP（数字光处理）技术，利用数字微镜设备（DMD）控制UV光源在预设的图案上进行光固化反应，逐层构建肝脏dECM支架。打印出的支架具有与肝小叶尺寸相当的六边形结构，用于模拟肝脏微环境。

肝癌模型的构建与细胞培养
使用打印出的dECM支架对HepG2肝癌细胞进行培养，实验中展示了HepG2细胞在dECM支架中表现出较好的存活率和功能性。相比于单纯的胶原I或GelMA基质，dECM基质支架更好地支持了肝癌细胞的增殖和肝特异性基因的表达。

机械性能调控
通过调节打印时的UV光曝光时间，研究人员能够在同一个支架中生成具有不同机械强度的区域，从而模拟健康肝脏与病变肝脏（如肝硬化）的硬度差异。实验显示，HepG2细胞在硬化的dECM支架中表现出较低的增殖和更高的侵袭潜能，表明肝癌细胞在硬化环境中的恶性程度更高。

HCC细胞侵袭的可视化
文章还设计了一种具有不同硬度区域的3D肝癌组织平台，可以可视化肝癌细胞从肝小叶区域侵袭到周围的纤维隔。通过荧光标记不同硬度的区域，研究人员可以跟踪HepG2细胞在这些区域中的侵袭行为。

研究意义
这项研究展示了如何通过快速3D生物打印技术，结合dECM材料构建生理相关的肝脏微环境，用于研究肝细胞癌的进展与侵袭。这种平台为理解肝癌细胞在病理环境中的行为机制提供了一个创新的工具，也为未来的药物筛选和癌症治疗研究开辟了新途径。

总结
这篇文章通过利用去细胞外基质和DLP 3D生物打印技术，成功构建了一个可用于研究肝癌侵袭和进展的3D生物模型。通过调控支架的机械性能和设计复杂的微结构，这一平台为更好地理解肝癌在硬化肝脏中的行为提供了重要的工具，同时展示了在组织工程和疾病建模中的广泛应用前景。

二 心脏组织模型（Heart tissue model）
1. 3D Bioprinting of Cardiac Microtissues Mimicking Native Myocardium
模拟天然心肌的心脏微组织的3D生物打印
 

 

这篇文章主要介绍了通过3D生物打印技术构建与天然心肌组织相似的心脏微组织模型的过程和应用。

背景
心脏是由各向异性排列的心肌细胞组成的复杂三维（3D）组织，其收缩功能是心脏泵血的核心。然而，现有的工程技术在体外模拟这些心肌组织时，面临着使心肌细胞在3D空间内正确对齐和分化的挑战。因此，研究团队开发了一种新的3D生物打印方法，用于构建具有生理功能的心脏微组织，以更好地模拟心肌的功能和结构。

3D生物打印技术
本文采用了微尺度连续光学打印（μCOP）技术，这是一种能够快速打印心肌细胞和支架的技术。μCOP系统通过将数字微镜设备（DMD）控制的图案投影到预聚合溶液中，从而逐层打印出三维结构。心肌细胞被包裹在光交联水凝胶（如甲基丙烯酸化明胶GelMA）中，形成微结构化的心脏组织。

心脏微组织的构建
在实验中，研究人员使用来自新生小鼠的心室心肌细胞（NMVCMs），将这些细胞嵌入到甲基丙烯酸化明胶（GelMA）水凝胶中，通过3D生物打印生成具有特定结构的心脏微组织。打印出的组织展示了心肌细胞与微结构对齐的能力，模仿了天然心肌的肌原纤维排列。

力学测试与功能评价
打印出的心脏组织通过一个集成的3D打印力测量系统测量其收缩产生的力。结果显示，对齐的3D心肌微组织比传统的2D心肌组织产生了近两倍的力。同时，研究人员还通过不同的几何图案测试了对细胞排列和组织收缩力的影响。更复杂的图案，如网格状或随机图案，会导致心肌细胞的排列和收缩力减弱，而简单的线性图案能够显著增强细胞的对齐和组织力(3D Bioprinting of Cardi…)。

钙瞬变的测量
心脏组织的功能通过钙瞬变波形进行测量，研究人员发现，在使用异丙肾上腺素（一种促心脏收缩的药物）处理后，心肌组织的钙瞬变幅度和衰减速率显著增加，展示了组织对药物的生理响应。这一结果验证了打印的心脏微组织在药物筛选和疾病模型构建中的潜在应用价值(3D Bioprinting of Cardi…)。

总结
该文章通过快速3D生物打印技术成功构建了具有生理功能的心脏微组织模型，并展示了这种模型在研究心肌细胞对齐、组织收缩力和药物反应等方面的潜力。这种仿生心脏微组织有望成为心脏疾病模型和新药筛选的理想工具。

2. Rapid 3D Bioprinting of a Human iPSC-derived Cardiac Micro-Tissue for High-Throughput Drug Testing
快速3D生物打印人iPSC来源的心脏微组织用于高通量药物测试
 

背景与目的
心脏病是全球主要的健康问题之一，导致大量的死亡。因此，开发用于心脏病药物筛选的精准模型至关重要。现有的二维（2D）培养模型和动物模型虽然能够提供一些信息，但它们不能完全反映人体心脏组织中的复杂细胞-细胞、细胞-基质和细胞-组织相互作用。基于此，本研究开发了一种通过3D生物打印技术构建的人类诱导多能干细胞来源的心脏微组织模型（hiPSC-CMs），用于高通量药物测试。

3D生物打印技术

• 打印时间非常短，整个过程在几秒钟内完成，使得细胞在打印过程中能够保持活力。

• 研究团队使用了微连续光学打印（μCOP）技术，这种技术能够通过快速光固化，将细胞和水凝胶材料打印成复杂的三维结构。

• 心脏组织的结构：打印出的心脏微组织包括一个基底层、柱状支架层以及嵌入细胞的GelMA层。这些柱状支架用于测量心脏组织的收缩力，同时提供力学应力，帮助心肌细胞对齐。

心脏微组织的构建与培养

• 使用人类诱导多能干细胞（hiPSCs）分化成心肌细胞，并与人类心室成纤维细胞（HCFs）混合，共同嵌入到水凝胶中，通过3D生物打印生成心脏微组织。

• 打印后的组织在培养中能够保持良好的存活率，并且经过7天的培养后，心肌细胞展示了有序的肌节排列和成熟的功能表型。

心脏组织功能测试

• 研究中，心脏微组织展示了明显的跳动表型，通过测量柱的位移，可以量化其收缩力和心跳频率（BPM）。通过加入荧光微珠，研究人员能够更精确地跟踪微组织的收缩位移，并记录组织的收缩图谱。

• 研究进一步验证了这些3D打印的心脏微组织能够对药物做出反应。在实验中，使用了两种常用的心脏相关药物异丙肾上腺素（ISO）和维拉帕米（VERA）进行药物测试。结果显示，打印的心脏微组织能够根据不同剂量的药物表现出显著的收缩频率和位移变化。

模型的应用与前景
这种3D生物打印心脏微组织模型展示了其在药物筛选和心脏疾病研究中的巨大潜力。通过快速、精确的3D打印，研究人员可以批量制造这种微组织，用于高通量药物筛选。此外，该模型还可以与多器官芯片系统结合，用于更广泛的疾病研究和个性化医疗测试。

总结
这篇文章通过快速3D生物打印技术成功构建了一个用于药物筛选的人iPSC来源的心脏微组织模型。该模型不仅能够精确模拟心脏组织的结构和功能，还能有效地用于高通量药物筛选，具有广泛的应用前景，尤其是在心脏药物开发和个性化疾病研究领域。

三 眼睛模型（Eye）
1. Rapid 3D Bioprinting of a Multifactorial Model Recapitulating Pterygium Microenvironment

快速3D生物打印重现翼状胬肉微环境的多因素模型

 

这篇文章主要介绍了如何通过快速3D生物打印技术构建一个用于翼状胬肉（pterygium）研究的多细胞模型，该模型重现了翼状胬肉的微环境。以下是重点介绍模型构建的详细内容：

研究背景
翼状胬肉是一种常见的眼表面疾病，会导致角膜的血管化和慢性炎症，进而影响视力。然而，目前对翼状胬肉的发病机制研究有限，现有的动物模型或2D细胞培养模型难以完整再现这种疾病的病理过程。

3D生物打印技术的应用
为了更好地模拟翼状胬肉的多细胞微环境，研究团队采用了DLP（数字光处理）3D生物打印技术，该技术可以精确且快速地打印出三维的水凝胶支架，并将人类结膜干细胞（hCjSCs）、免疫细胞和血管细胞共同封装在支架中，形成了一个多细胞的3D疾病模型。

模型的细胞组成与打印过程

• 打印步骤：首先，通过无饲养层培养系统扩展原代hCjSCs，随后将hCjSCs、免疫细胞和血管细胞按层次封装在生物墨水中，并通过DLP打印技术生成具有两层结构的3D模型。第一层包含hCjSCs和巨噬细胞，模拟了免疫细胞浸润的炎症反应；第二层由HUVECs和纤维细胞组成，模拟了血管生成。

• 细胞来源：该模型由三类细胞组成，包括来自健康供体的人类结膜干细胞（hCjSCs）、巨噬细胞以及血管内皮细胞（HUVECs）。这些细胞共同构成了一个能够模拟翼状胬肉病理特征的微环境。

模型的生物学表征

• 基因组学分析：研究团队通过RNA测序对3D模型进行了全基因组转录分析，发现与传统的2D培养模型相比，3D翼状胬肉模型在炎症反应、上皮-间质转化（EMT）、血管生成等方面的基因显著上调，展示了3D打印环境对细胞状态的显著影响。

• 细胞存活性与功能性：在打印后的3D模型中，细胞的存活率保持在较高水平，尤其是在较软的水凝胶环境中，细胞的存活性和干细胞特性得到了很好保持。此外，模型中的hCjSCs成功分化为结膜杯状细胞，表现出特征性粘蛋白的表达。

模型的应用前景

该模型通过结合3D生物打印技术和干细胞技术，首次成功构建了一个在体外模拟翼状胬肉疾病微环境的模型，为未来的个性化医疗研究和药物筛选提供了一个重要的平台。由于其快速、可扩展和高重现性，该模型还具有广泛的临床应用潜力。

总结

这篇文章展示了如何通过DLP 3D生物打印技术，成功构建了一个模拟翼状胬肉微环境的多细胞3D模型。该模型能够再现翼状胬肉的病理特征，具有高效的细胞存活率和功能性，未来可以用于疾病研究和药物测试。
 

2. Bioprinting of Dual ECM Scaffolds Encapsulating Limbal Stem/Progenitor Cells in Active and Quiescent Statuses

封装角膜缘干/祖细胞的双重ECM支架的3D生物打印

 

文章通过快速3D生物打印技术构建了一个双重细胞外基质（ECM）支架，用于封装角膜缘干/祖细胞（LSCs），并研究它们在活跃和静止状态下的行为。

背景与目的
角膜缘干细胞（LSCs）是维持角膜上皮细胞稳态的关键细胞类型，广泛用于治疗角膜缘干细胞缺乏症（LSCD）等角膜疾病。为了更好地研究LSCs与其微环境的相互作用，本文采用了数字光处理（DLP）技术，快速打印出基于不同ECM材料的水凝胶支架，封装了LSCs并对其行为进行了深入研究(3D Bioprinting of Dual …)。

双重ECM支架的构建

• 使用材料：主要采用了两种不同的ECM材料，分别是甲基丙烯酸化明胶（GelMA）和甲基丙烯酸化透明质酸（HAGM），并通过DLP生物打印技术构建了微尺度的3D水凝胶支架。这两种材料不仅能够支持LSCs的存活，还能通过不同的机械性能影响细胞的行为(3D Bioprinting of Dual …)。
• 打印过程：DLP技术使用数字微镜设备（DMD）来控制光固化反应，根据预设的设计图案打印出复杂的3D支架。打印出的支架包含GelMA和HAGM两个不同区域，分别用于模拟活跃和静止的LSC状态(3D Bioprinting of Dual …)。

LSCs的封装与培养

• 细胞封装：研究首先从兔角膜缘组织中分离出初级LSCs，并封装在GelMA和HAGM支架中进行培养。Live/Dead™染色结果表明，经过7天的培养，LSCs在这两种支架中均表现出高存活率(3D Bioprinting of Dual …)。
• 状态差异：LSCs在GelMA基质中表现出活跃的状态，显示出较高的增殖标记（如KI67）表达，而在HAGM基质中则表现出静止状态，增殖标记显著减少，静止标记（如CD200、P27KIP1）显著上调(3D Bioprinting of Dual …)。

Yin-Yang双ECM模型的设计

• 研究进一步结合GelMA和HAGM两种ECM材料，设计并打印了一个双重ECM的“Yin-Yang模型”。这个模型能够同时在不同区域内维持LSCs的活跃和静止状态，模拟了真实组织中不同状态的干细胞微环境(3D Bioprinting of Dual …)。
• 生物学验证：通过免疫荧光染色和流式细胞术，研究发现LSCs在Yin-Yang模型中的不同区域表现出不同的生物学行为，活跃区域的细胞显示出较高的增殖能力，而静止区域的细胞则表现出较强的静止标记表达(3D Bioprinting of Dual …)。

模型的应用与前景
这种双ECM支架模型不仅能够用于研究LSCs的状态调控机制，还能够作为一种创新的疾病模型和药物筛选平台。通过同时在一个模型中模拟干细胞的活跃和静止状态，该平台为研究干细胞在不同生理状态下的行为提供了重要的工具(3D Bioprinting of Dual …)。

总结
该文章展示了如何通过DLP 3D生物打印技术，构建了一个双重ECM支架，用于封装角膜缘干细胞，并研究了其在活跃和静止状态下的行为。通过这个创新的Yin-Yang模型，研究人员能够更好地模拟干细胞的复杂微环境，为未来的再生医学和药物筛选提供了新的研究平台。

四 胶质母细胞瘤模型（Glioblastoma models）
1. Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments model cellular dependencies and immune interactions
三维生物打印的胶质母细胞瘤微环境模型中的细胞依赖性和免疫相互作用
 

这篇文章的主要目的是通过快速3D生物打印技术构建一个多因素的胶质母细胞瘤微环境模型，以研究细胞依赖性和免疫相互作用。以下是模型构建的详细介绍：

背景
胶质母细胞瘤（GBM）是最具侵袭性且致命的脑肿瘤之一，肿瘤的微环境对于其生长、侵袭和治疗反应至关重要。研究表明，肿瘤中的巨噬细胞和小胶质细胞在胶质母细胞瘤的进展中起到重要作用。然而，传统的2D细胞培养或动物模型难以精确再现肿瘤微环境中的复杂相互作用。

3D生物打印技术的应用
本文采用数字光处理（DLP）的3D生物打印技术，构建了一个包含多种细胞类型的胶质母细胞瘤模型。这个模型由患者来源的胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）、星形胶质细胞、神经前体细胞（NPCs）和巨噬细胞共同组成。研究者通过将这些细胞嵌入富含透明质酸（HA）的水凝胶中，创建了一个高度仿生的肿瘤微环境。

打印过程

• DLP系统：该系统的核心组件是一个数字微镜设备（DMD），它通过控制UV光投射到预聚合的细胞-材料混合物上，实现逐层打印。打印出的模型包含一个肿瘤核心区，由高密度的GSCs和巨噬细胞组成；外围区域由较低密度的星形胶质细胞和NPCs组成，模拟健康脑组织。
• 水凝胶基质：使用的基质材料为甲基丙烯酸化明胶（GelMA）和甲基丙烯酸化透明质酸（GMHA），这些材料的机械性能被设计为与胶质母细胞瘤组织相匹配。GSCs主要被嵌入4% GelMA和0.25% GMHA的混合物中，形成与真实肿瘤相似的基质。

细胞封装与模型结构

• 在这个3D打印模型中，胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）与星形胶质细胞和神经前体细胞相互作用，模拟了肿瘤细胞与正常脑组织之间的细胞通讯。模型还加入了巨噬细胞，重点研究了其在肿瘤进展中的作用。
• 通过将不同的细胞按预设位置排列，该模型成功实现了肿瘤核心和外围健康组织的分离，能够更精确地研究不同细胞类型之间的相互作用。

模型的生物学验证

• 研究通过转录组分析，发现3D打印的肿瘤模型能够更好地再现患者胶质母细胞瘤组织的基因表达谱。与传统的球状培养相比，3D模型中GSCs表现出更强的侵袭能力和抗药性。
• 此外，加入巨噬细胞后，模型中的GSCs显示出更显著的低氧反应和基质重塑，这些特征与患者体内的肿瘤表现一致。

模型的应用前景
该模型展示了其在研究肿瘤-免疫相互作用、药物筛选以及肿瘤进展机制中的广泛应用潜力。特别是它能够用于分析巨噬细胞在肿瘤中的作用、细胞-细胞通讯，以及肿瘤细胞对药物的反应，为未来的个性化治疗提供了重要工具。

总结
这篇文章通过DLP 3D生物打印技术，成功构建了一个复杂的胶质母细胞瘤微环境模型，该模型能够准确再现肿瘤微环境中的多种细胞相互作用。这一模型不仅提供了研究肿瘤细胞依赖性和免疫相互作用的新平台，还为未来的癌症药物筛选和治疗提供了新的可能性。

2. Rapid 3D Bioprinting of Glioblastoma Model Mimicking Native Biophysical Heterogeneity
快速3D生物打印胶质母细胞瘤模型，模拟天然生物物理异质性
 

文章通过快速3D生物打印技术构建胶质母细胞瘤（GBM）的生物物理模式，用于研究肿瘤的发生和血管生成。以下是模型构建的主要内容：

模型背景
胶质母细胞瘤是最具侵袭性的大脑肿瘤之一，具有高度异质性，尤其是在细胞成分和细胞外基质（ECM）方面。现有的2D模型无法准确模拟这种复杂的微环境，因此该研究通过3D生物打印技术构建了一个生理相关的三维模型，用于研究不同生物物理条件下的细胞行为。

模型构建过程

• DLP 3D生物打印技术：利用数字光处理技术（DLP），研究人员能够快速打印出具有不同硬度和微结构的胶质母细胞瘤微环境模型。模型中包含三个主要区域：肿瘤细胞区域、无细胞的ECM区域，以及模拟脑毛细血管的内皮细胞区域。
• 生物物理图案化：模型通过控制水凝胶的硬度和微环境中的其他物理条件，生成不同的硬度模式，分别代表健康脑组织和病变组织的物理特性。硬的基质促使细胞表现出更具侵袭性的间充质表型，而软基质则促进经典表型和细胞增殖。

细胞与基质的相互作用
该模型使用了患者来源的胶质母细胞瘤细胞与人内皮细胞共同打印，结合透明质酸衍生物，形成具有生物化学相关性的肿瘤微环境。该模型不仅展示了肿瘤细胞对不同基质硬度的响应，还模拟了肿瘤细胞的血管生成潜力，为研究肿瘤异质性和耐药性提供了新平台。

模型应用
研究表明，该模型可用于模拟不同亚型的胶质母细胞瘤，特别是用于探讨肿瘤生长、侵袭行为和血管生成。此外，该模型能够通过不同区域的硬度差异，研究肿瘤细胞对化疗药物（如替莫唑胺）的反应和抗药性。

总结
这篇文章展示了一个生物物理图案化的胶质母细胞瘤3D模型，通过快速3D生物打印技术，再现了肿瘤的异质性和侵袭性。该模型为研究肿瘤生物学和开发新的治疗方法提供了有效的平台，尤其是在研究肿瘤发生、血管生成和耐药性方面。

五 血管结构模型（Vasculature）
Direct 3D Bioprinting of Prevascularized Tissue Constructs with Complex Microarchitecture
复杂微结构预血管化组织构建的直接3D生物打印
 

文章主要介绍了一种基于快速3D生物打印技术构建复杂微结构的预血管化组织模型。：

背景
组织工程在再生医学中发挥着重要作用，特别是在开发人工器官方面。血管网络的形成是支持大规模、高代谢组织存活的关键。然而，传统的组织工程方法在构建复杂的血管化组织方面面临挑战，尤其是构建能够在移植后迅速与宿主循环系统对接的预血管化组织。

3D生物打印技术的应用
文章中采用了微尺度连续光学生物打印技术（mCOB），这是一种基于数字光处理（DLP）的快速3D生物打印方法。该技术通过投射紫外光进行光聚合反应，不需要牺牲性材料或灌流步骤，直接将内皮细胞和基质细胞封装到水凝胶中，并形成预先设计的血管网络。

打印过程

• 生物墨水与材料：使用的主要材料为甲基丙烯酸化透明质酸（GM-HA）和明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）。这些材料兼具生物相容性和可调的机械性能，能够支持细胞的生长与血管化。
• 模型设计：设计了三种数字面罩用于打印不同宽度的血管通道，模拟血管网络的分支结构。通过这种方法，研究人员成功打印出具有不同通道宽度（50到250微米）的组织模型，同时精确控制了细胞的分布。

细胞封装与生物学验证

• 细胞封装：内皮细胞（HUVECs）与基质细胞（10T1/2）被直接封装到设计的血管通道中，形成类似血管的结构。在体外培养一周后，通过免疫荧光染色观察到内皮细胞在通道壁上形成了管腔样结构。
• 细胞存活率：在打印后的第1、3、7天进行细胞存活率测试，结果显示细胞存活率超过85%，表明该打印技术具有高度的生物相容性。

模型的体内验证
为了验证预血管化组织在体内的血管网络形成，研究人员将打印的组织移植到小鼠皮下。两周后，预血管化组织展示了与宿主循环系统的对接（吻合），形成了功能性血管网络，而非预血管化组织的血管化程度显著较低。

总结
这篇文章通过mCOB 3D生物打印技术，成功构建了具有复杂微结构的预血管化组织模型。该技术不仅加快了组织工程的构建速度，还提高了模型的可扩展性和复杂结构的打印精度，展示了在未来再生医学和器官移植中的巨大潜力。

六 生长因子释放模型（Growth factor release model）
Controlled Growth Factor Release in 3D-Printed Hydrogels
在3D打印水凝胶中控制生长因子的释放

 

文章主要介绍了一种通过3D打印技术构建的水凝胶系统，重点研究了在水凝胶中控制生长因子（GFs）释放的机制。

背景
生长因子在组织再生中起着至关重要的作用，但其在体内的快速代谢使得它们难以持续发挥作用。通过将生长因子封装在水凝胶中，可以调控其释放速度，进而延长其作用时间。本文研究了利用不同几何结构的3D打印水凝胶来控制生长因子的释放(Controlled Growth Facto…)。

3D生物打印水凝胶的构建
研究团队利用DLP（数字光处理）3D打印技术构建了一系列复杂形状的水凝胶结构，如核心-壳层的柱状结构。这种打印技术能够在短时间内（1分钟内）快速生成包含生长因子的水凝胶，且通过设计不同的几何形状来调控生长因子的释放(Controlled Growth Facto…)。

核心-壳层结构的设计与打印

• 材料与结构设计：研究使用了含有甲基丙烯酸化透明质酸（HA-GM）和巯基化肝素（Hep-SH）的水凝胶，并将生长因子封装在水凝胶的核心区域。然后通过打印第二层“壳层”结构来进一步延缓生长因子的释放。通过改变壳层的厚度，可以实现对生长因子释放速度的精确调控(Controlled Growth Facto…)。
• 核心-壳层设计的效果：结果显示，增加壳层厚度能够显著减缓生长因子的释放。例如，壳层厚度为1毫米的结构相比0.25毫米的结构，生长因子的释放速度显著降低，这表明几何形状对生长因子的释放有显著影响(Controlled Growth Facto…)。

多种生长因子的顺序释放
此外，研究还探索了在同一结构中实现多种生长因子的顺序释放。例如，将血管内皮生长因子（VEGF）和血小板衍生生长因子（PDGF）封装在不同的壳层和核心区域，通过控制其空间排列来实现按顺序释放。结果显示，VEGF和PDGF能够按预期顺序释放，且释放速度受几何结构的影响(Controlled Growth Facto…)。

总结
这篇文章展示了如何通过DLP 3D打印技术构建不同几何形状的水凝胶系统，以控制生长因子的释放速度和顺序。通过这种方法，可以实现对生长因子的精准调控，为组织再生和药物递送提供了新平台。

七 微结构模型（Microstructure）
3D Printed Artificial Micro-Fish
3D打印的仿生微鱼
 

 

这篇文章 “3D Printed Artificial Micro-Fish” 主要介绍了通过快速3D微打印技术（μCOP）构建的仿生微鱼（microfish）模型，用于多功能应用，如化学推动、磁力引导以及解毒等。以下是模型构建的详细介绍：

背景
微尺度游动机器人或微泳者具有多种应用，包括药物递送、环境净化和生物传感。模仿自然界中的水生生物（如鱼类）的运动机制，构建功能化的微尺度机器人，是推动该领域发展的重要方向。然而，传统的微制造方法难以实现复杂三维结构及功能化纳米材料的集成。

3D微打印技术的应用
该研究使用了微尺度连续光学打印（μCOP）技术，能够在短时间内打印出具有高分辨率（约1微米）和复杂形态的微鱼结构。通过这项技术，研究人员能够在几秒钟内打印出多种仿生结构，并嵌入功能性纳米颗粒以赋予微鱼不同的能力。

微鱼的设计与构建

• 材料与功能：微鱼的主体由聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）基水凝胶制成，这种材料因其生物相容性而被广泛应用。研究人员将不同类型的功能化纳米颗粒嵌入微鱼的不同部位：
• 铂（Pt）纳米颗粒：嵌入鱼尾，提供化学推动力，利用过氧化氢（H₂O₂）的分解产生氧气泡，从而驱动微鱼前进。
• 氧化铁（Fe₃O₄）纳米颗粒：嵌入鱼头，实现磁力引导，能够通过外部磁场控制微鱼的运动。
• 结构与打印过程：μCOP平台通过数字微镜设备（DMD）生成光学图案，并将其投影到光敏材料上，逐层构建鱼体结构。打印出的微鱼长约120微米，厚度约30微米，可以根据设计需要调整尺寸和形状。

功能验证

• 运动能力：实验展示了微鱼在过氧化氢溶液中的自推动力，生成的氧气泡推动微鱼快速游动，最大速度可达780微米/秒。不同形状的微鱼（如普通鱼形、蝠鲼形）表现出不同的速度，研究还发现铂颗粒的浓度与微鱼的推进速度成正比。
• 磁力控制：通过嵌入氧化铁纳米颗粒，微鱼能够在外部磁场的控制下实现精确的方向引导。
• 解毒功能：研究进一步展示了微鱼在解毒领域的应用，微鱼通过嵌入聚二乙炔（PDA）纳米颗粒，能够有效捕获并中和蜜蜂毒素（melittin），并通过荧光信号验证了解毒效率。

总结
该研究展示了通过μCOP技术快速3D打印的仿生微鱼模型，具有自驱动、磁力控制和解毒等多功能应用。该模型为未来的药物递送、环境净化及生物传感等领域提供了极具前景的工具。