BIONOVA X 3D生物打印機(jī)在組織工程中的前沿應(yīng)用及復(fù)雜器官模型構(gòu)建

Cellink BIONOVA X 是一款先進(jìn)的 DLP（數(shù)字光處理）技術(shù) 3D生物打印機(jī)，專為高分辨率、快速和生物友好的打印設(shè)計(jì)，主要用于生物醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域。它在藥物開發(fā)、疾病建模和再生醫(yī)學(xué)等高通量研究中發(fā)揮著重要作用。

近期研究中，使用 BIONOVA X 打印的模型涵蓋了多種應(yīng)用，從肝臟組織到心肌微組織，甚至神經(jīng)系統(tǒng)疾病建模。通過這款3D生物打印機(jī)，研究者能夠在高通量平臺上快速創(chuàng)建精確的3D 結(jié)構(gòu)，極大提升了打印速度和精度，尤其是在構(gòu)建具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的組織時(shí)，BIONOVA X 可以輕松實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞類型和多材料的高效組合。為再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化藥物篩選提供了新的可能性。

一 肝臟模型（Liver model）構(gòu)建

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

通過快速3D生物打印構(gòu)建具確定性圖案的仿生人類iPSC衍生肝臟模型

這篇文章的主要目標(biāo)是通過快速3D生物打印技術(shù)，構(gòu)建一種由人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）衍生的仿生肝臟模型，用于個(gè)性化藥物篩選和疾病研究。

肝臟模型的構(gòu)建背景
肝臟在蛋白質(zhì)合成和代謝功能中起著重要作用，肝功能的喪失與疾病發(fā)展和藥物毒性密切相關(guān)。因此，開發(fā)體外肝臟模型對于藥物篩選和疾病研究具有重要意義。然而，目前的體外肝臟模型常常缺乏生理相關(guān)的微環(huán)境，導(dǎo)致肝細(xì)胞在培養(yǎng)中迅速失去其功能。

iPSCs在肝臟模型中的應(yīng)用
人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）被認(rèn)為是開發(fā)個(gè)性化肝臟模型的理想細(xì)胞來源。與原代肝細(xì)胞相比，hiPSCs更易獲取并且具備分化成肝細(xì)胞的潛力。研究中利用了hiPSCs通過特定分化流程衍生成肝前體細(xì)胞（HPCs），這些細(xì)胞能進(jìn)一步分化為成熟的肝細(xì)胞。

3D生物打印技術(shù)的優(yōu)勢
本研究采用了數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)來快速打印三維肝臟模型。DLP技術(shù)能夠通過光固化水凝膠，以高分辨率和快速的打印速度構(gòu)建復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)。該技術(shù)不僅提高了打印速度，還能夠精確控制細(xì)胞和材料的空間排列，模擬肝臟的六邊形結(jié)構(gòu)單元。

肝臟模型的細(xì)胞組成與微結(jié)構(gòu)
該模型采用了三重培養(yǎng)體系，包括hiPSC衍生的肝前體細(xì)胞（HPCs）、人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）和脂肪干細(xì)胞（ADSCs）。這些細(xì)胞被嵌入到具有生理相關(guān)性六邊形結(jié)構(gòu)的水凝膠中，這種結(jié)構(gòu)模仿了肝臟小葉的組織排列。通過多步的3D打印過程，不同細(xì)胞類型在支架中被精確定位。

3D培養(yǎng)條件下的肝細(xì)胞功能增強(qiáng)
與傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)相比，三維培養(yǎng)體系中的hiPSC-HPCs展示了更好的形態(tài)學(xué)組織化、肝特異性基因表達(dá)水平提升、代謝產(chǎn)物分泌增加以及細(xì)胞色素P450（CYP）酶的誘導(dǎo)增強(qiáng)。這表明，在3D仿生環(huán)境中，肝前體細(xì)胞得到了更好的功能維護(hù)和成熟。

應(yīng)用前景
這種基于3D生物打印的肝臟模型為早期藥物篩選和個(gè)性化疾病模型提供了一個(gè)平臺。通過結(jié)合不同細(xì)胞類型和仿生結(jié)構(gòu)，該模型能夠模擬肝臟的多細(xì)胞相互作用和微環(huán)境，尤其是在藥物代謝和毒性預(yù)測方面具有重要的應(yīng)用潛力。

總結(jié)
這篇文章通過DLP 3D生物打印技術(shù)成功構(gòu)建了一個(gè)生理相關(guān)的人iPSC衍生肝臟模型，不僅有效增強(qiáng)了肝細(xì)胞的功能，還展示了該模型在藥物篩選和疾病建模中的應(yīng)用前景。這種模型具有巨大的臨床轉(zhuǎn)化潛力，尤其是在個(gè)性化醫(yī)學(xué)和早期藥物篩選方面。

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

具有區(qū)域性可變機(jī)械性能和仿生微結(jié)構(gòu)的去細(xì)胞外基質(zhì)的快速3D生物打印
 

這篇文章的主要目標(biāo)是通過快速3D生物打印技術(shù)，利用去細(xì)胞外基質(zhì)（dECM）構(gòu)建具有區(qū)域性可變機(jī)械性能和仿生微結(jié)構(gòu)的肝臟模型。這種模型主要用于研究肝細(xì)胞癌（HCC）在病理環(huán)境下的進(jìn)展與侵襲行為。

去細(xì)胞外基質(zhì)的制備
文章首先使用去細(xì)胞技術(shù)從豬肝臟中提取出去細(xì)胞外基質(zhì)（dECM），這個(gè)過程包括去除細(xì)胞、保存膠原纖維和基質(zhì)的關(guān)鍵成分。隨后，dECM與可光交聯(lián)的明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）混合，生成可用于光固化3D生物打印的水凝膠溶液。

3D生物打印技術(shù)的應(yīng)用
本文采用DLP（數(shù)字光處理）技術(shù)，利用數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）控制UV光源在預(yù)設(shè)的圖案上進(jìn)行光固化反應(yīng)，逐層構(gòu)建肝臟dECM支架。打印出的支架具有與肝小葉尺寸相當(dāng)?shù)牧�邊形結(jié)構(gòu)，用于模擬肝臟微環(huán)境。

肝癌模型的構(gòu)建與細(xì)胞培養(yǎng)
使用打印出的dECM支架對HepG2肝癌細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)中展示了HepG2細(xì)胞在dECM支架中表現(xiàn)出較好的存活率和功能性。相比于單純的膠原I或GelMA基質(zhì)，dECM基質(zhì)支架更好地支持了肝癌細(xì)胞的增殖和肝特異性基因的表達(dá)。

機(jī)械性能調(diào)控
通過調(diào)節(jié)打印時(shí)的UV光曝光時(shí)間，研究人員能夠在同一個(gè)支架中生成具有不同機(jī)械強(qiáng)度的區(qū)域，從而模擬健康肝臟與病變肝臟（如肝硬化）的硬度差異。實(shí)驗(yàn)顯示，HepG2細(xì)胞在硬化的dECM支架中表現(xiàn)出較低的增殖和更高的侵襲潛能，表明肝癌細(xì)胞在硬化環(huán)境中的惡性程度更高。

HCC細(xì)胞侵襲的可視化
文章還設(shè)計(jì)了一種具有不同硬度區(qū)域的3D肝癌組織平臺，可以可視化肝癌細(xì)胞從肝小葉區(qū)域侵襲到周圍的纖維隔。通過熒光標(biāo)記不同硬度的區(qū)域，研究人員可以跟蹤HepG2細(xì)胞在這些區(qū)域中的侵襲行為。

研究意義
這項(xiàng)研究展示了如何通過快速3D生物打印技術(shù)，結(jié)合dECM材料構(gòu)建生理相關(guān)的肝臟微環(huán)境，用于研究肝細(xì)胞癌的進(jìn)展與侵襲。這種平臺為理解肝癌細(xì)胞在病理環(huán)境中的行為機(jī)制提供了一個(gè)創(chuàng)新的工具，也為未來的藥物篩選和癌癥治療研究開辟了新途徑。

總結(jié)
這篇文章通過利用去細(xì)胞外基質(zhì)和DLP 3D生物打印技術(shù)，成功構(gòu)建了一個(gè)可用于研究肝癌侵襲和進(jìn)展的3D生物模型。通過調(diào)控支架的機(jī)械性能和設(shè)計(jì)復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，這一平臺為更好地理解肝癌在硬化肝臟中的行為提供了重要的工具，同時(shí)展示了在組織工程和疾病建模中的廣泛應(yīng)用前景。

二 心臟組織模型（Heart tissue model）
1. 3D Bioprinting of Cardiac Microtissues Mimicking Native Myocardium
模擬天然心肌的心臟微組織的3D生物打印
 

 

這篇文章主要介紹了通過3D生物打印技術(shù)構(gòu)建與天然心肌組織相似的心臟微組織模型的過程和應(yīng)用。

背景
心臟是由各向異性排列的心肌細(xì)胞組成的復(fù)雜三維（3D）組織，其收縮功能是心臟泵血的核心。然而，現(xiàn)有的工程技術(shù)在體外模擬這些心肌組織時(shí)，面臨著使心肌細(xì)胞在3D空間內(nèi)正確對齊和分化的挑戰(zhàn)。因此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的3D生物打印方法，用于構(gòu)建具有生理功能的心臟微組織，以更好地模擬心肌的功能和結(jié)構(gòu)。

3D生物打印技術(shù)
本文采用了微尺度連續(xù)光學(xué)打印（μCOP）技術(shù)，這是一種能夠快速打印心肌細(xì)胞和支架的技術(shù)。μCOP系統(tǒng)通過將數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）控制的圖案投影到預(yù)聚合溶液中，從而逐層打印出三維結(jié)構(gòu)。心肌細(xì)胞被包裹在光交聯(lián)水凝膠（如甲基丙烯酸化明膠GelMA）中，形成微結(jié)構(gòu)化的心臟組織。

心臟微組織的構(gòu)建
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用來自新生小鼠的心室心肌細(xì)胞（NMVCMs），將這些細(xì)胞嵌入到甲基丙烯酸化明膠（GelMA）水凝膠中，通過3D生物打印生成具有特定結(jié)構(gòu)的心臟微組織。打印出的組織展示了心肌細(xì)胞與微結(jié)構(gòu)對齊的能力，模仿了天然心肌的肌原纖維排列。

力學(xué)測試與功能評價(jià)
打印出的心臟組織通過一個(gè)集成的3D打印力測量系統(tǒng)測量其收縮產(chǎn)生的力。結(jié)果顯示，對齊的3D心肌微組織比傳統(tǒng)的2D心肌組織產(chǎn)生了近兩倍的力。同時(shí)，研究人員還通過不同的幾何圖案測試了對細(xì)胞排列和組織收縮力的影響。更復(fù)雜的圖案，如網(wǎng)格狀或隨機(jī)圖案，會導(dǎo)致心肌細(xì)胞的排列和收縮力減弱，而簡單的線性圖案能夠顯著增強(qiáng)細(xì)胞的對齊和組織力(3D Bioprinting of Cardi…)。

鈣瞬變的測量
心臟組織的功能通過鈣瞬變波形進(jìn)行測量，研究人員發(fā)現(xiàn)，在使用異丙腎上腺素（一種促心臟收縮的藥物）處理后，心肌組織的鈣瞬變幅度和衰減速率顯著增加，展示了組織對藥物的生理響應(yīng)。這一結(jié)果驗(yàn)證了打印的心臟微組織在藥物篩選和疾病模型構(gòu)建中的潛在應(yīng)用價(jià)值(3D Bioprinting of Cardi…)。

總結(jié)
該文章通過快速3D生物打印技術(shù)成功構(gòu)建了具有生理功能的心臟微組織模型，并展示了這種模型在研究心肌細(xì)胞對齊、組織收縮力和藥物反應(yīng)等方面的潛力。這種仿生心臟微組織有望成為心臟疾病模型和新藥篩選的理想工具。

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來源的心臟微組織用于高通量藥物測試
 

背景與目的
心臟病是全球主要的健康問題之一，導(dǎo)致大量的死亡。因此，開發(fā)用于心臟病藥物篩選的精準(zhǔn)模型至關(guān)重要�，F(xiàn)有的二維（2D）培養(yǎng)模型和動(dòng)物模型雖然能夠提供一些信息，但它們不能完全反映人體心臟組織中的復(fù)雜細(xì)胞-細(xì)胞、細(xì)胞-基質(zhì)和細(xì)胞-組織相互作用�；�于此，本研究開發(fā)了一種通過3D生物打印技術(shù)構(gòu)建的人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的心臟微組織模型（hiPSC-CMs），用于高通量藥物測試。

3D生物打印技術(shù)

• 打印時(shí)間非常短，整個(gè)過程在幾秒鐘內(nèi)完成，使得細(xì)胞在打印過程中能夠保持活力。

• 研究團(tuán)隊(duì)使用了微連續(xù)光學(xué)打�。�μCOP）技術(shù)，這種技術(shù)能夠通過快速光固化，將細(xì)胞和水凝膠材料打印成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

• 心臟組織的結(jié)構(gòu)：打印出的心臟微組織包括一個(gè)基底層、柱狀支架層以及嵌入細(xì)胞的GelMA層。這些柱狀支架用于測量心臟組織的收縮力，同時(shí)提供力學(xué)應(yīng)力，幫助心肌細(xì)胞對齊。

心臟微組織的構(gòu)建與培養(yǎng)

• 使用人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）分化成心肌細(xì)胞，并與人類心室成纖維細(xì)胞（HCFs）混合，共同嵌入到水凝膠中，通過3D生物打印生成心臟微組織。

• 打印后的組織在培養(yǎng)中能夠保持良好的存活率，并且經(jīng)過7天的培養(yǎng)后，心肌細(xì)胞展示了有序的肌節(jié)排列和成熟的功能表型。

心臟組織功能測試

• 研究中，心臟微組織展示了明顯的跳動(dòng)表型，通過測量柱的位移，可以量化其收縮力和心跳頻率（BPM）。通過加入熒光微珠，研究人員能夠更精確地跟蹤微組織的收縮位移，并記錄組織的收縮圖譜。

• 研究進(jìn)一步驗(yàn)證了這些3D打印的心臟微組織能夠?qū)λ幬镒龀龇磻?yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，使用了兩種常用的心臟相關(guān)藥物異丙腎上腺素（ISO）和維拉帕米（VERA）進(jìn)行藥物測試。結(jié)果顯示，打印的心臟微組織能夠根據(jù)不同劑量的藥物表現(xiàn)出顯著的收縮頻率和位移變化。

模型的應(yīng)用與前景
這種3D生物打印心臟微組織模型展示了其在藥物篩選和心臟疾病研究中的巨大潛力。通過快速、精確的3D打印，研究人員可以批量制造這種微組織，用于高通量藥物篩選。此外，該模型還可以與多器官芯片系統(tǒng)結(jié)合，用于更廣泛的疾病研究和個(gè)性化醫(yī)療測試。

總結(jié)
這篇文章通過快速3D生物打印技術(shù)成功構(gòu)建了一個(gè)用于藥物篩選的人iPSC來源的心臟微組織模型。該模型不僅能夠精確模擬心臟組織的結(jié)構(gòu)和功能，還能有效地用于高通量藥物篩選，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在心臟藥物開發(fā)和個(gè)性化疾病研究領(lǐng)域。

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

快速3D生物打印重現(xiàn)翼狀胬肉微環(huán)境的多因素模型

 

這篇文章主要介紹了如何通過快速3D生物打印技術(shù)構(gòu)建一個(gè)用于翼狀胬肉（pterygium）研究的多細(xì)胞模型，該模型重現(xiàn)了翼狀胬肉的微環(huán)境。以下是重點(diǎn)介紹模型構(gòu)建的詳細(xì)內(nèi)容：

研究背景
翼狀胬肉是一種常見的眼表面疾病，會導(dǎo)致角膜的血管化和慢性炎癥，進(jìn)而影響視力。然而，目前對翼狀胬肉的發(fā)病機(jī)制研究有限，現(xiàn)有的動(dòng)物模型或2D細(xì)胞培養(yǎng)模型難以完整再現(xiàn)這種疾病的病理過程。

3D生物打印技術(shù)的應(yīng)用
為了更好地模擬翼狀胬肉的多細(xì)胞微環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)采用了DLP（數(shù)字光處理）3D生物打印技術(shù)，該技術(shù)可以精確且快速地打印出三維的水凝膠支架，并將人類結(jié)膜干細(xì)胞（hCjSCs）、免疫細(xì)胞和血管細(xì)胞共同封裝在支架中，形成了一個(gè)多細(xì)胞的3D疾病模型。

模型的細(xì)胞組成與打印過程

• 打印步驟：首先，通過無飼養(yǎng)層培養(yǎng)系統(tǒng)擴(kuò)展原代hCjSCs，隨后將hCjSCs、免疫細(xì)胞和血管細(xì)胞按層次封裝在生物墨水中，并通過DLP打印技術(shù)生成具有兩層結(jié)構(gòu)的3D模型。第一層包含hCjSCs和巨噬細(xì)胞，模擬了免疫細(xì)胞浸潤的炎癥反應(yīng)；第二層由HUVECs和纖維細(xì)胞組成，模擬了血管生成。

• 細(xì)胞來源：該模型由三類細(xì)胞組成，包括來自健康供體的人類結(jié)膜干細(xì)胞（hCjSCs）、巨噬細(xì)胞以及血管內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）。這些細(xì)胞共同構(gòu)成了一個(gè)能夠模擬翼狀胬肉病理特征的微環(huán)境。

模型的生物學(xué)表征

• 基因組學(xué)分析：研究團(tuán)隊(duì)通過RNA測序?qū)?D模型進(jìn)行了全基因組轉(zhuǎn)錄分析，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的2D培養(yǎng)模型相比，3D翼狀胬肉模型在炎癥反應(yīng)、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）、血管生成等方面的基因顯著上調(diào)，展示了3D打印環(huán)境對細(xì)胞狀態(tài)的顯著影響。

• 細(xì)胞存活性與功能性：在打印后的3D模型中，細(xì)胞的存活率保持在較高水平，尤其是在較軟的水凝膠環(huán)境中，細(xì)胞的存活性和干細(xì)胞特性得到了很好保持。此外，模型中的hCjSCs成功分化為結(jié)膜杯狀細(xì)胞，表現(xiàn)出特征性粘蛋白的表達(dá)。

模型的應(yīng)用前景

該模型通過結(jié)合3D生物打印技術(shù)和干細(xì)胞技術(shù)，首次成功構(gòu)建了一個(gè)在體外模擬翼狀胬肉疾病微環(huán)境的模型，為未來的個(gè)性化醫(yī)療研究和藥物篩選提供了一個(gè)重要的平臺。由于其快速、可擴(kuò)展和高重現(xiàn)性，該模型還具有廣泛的臨床應(yīng)用潛力。

總結(jié)

這篇文章展示了如何通過DLP 3D生物打印技術(shù)，成功構(gòu)建了一個(gè)模擬翼狀胬肉微環(huán)境的多細(xì)胞3D模型。該模型能夠再現(xiàn)翼狀胬肉的病理特征，具有高效的細(xì)胞存活率和功能性，未來可以用于疾病研究和藥物測試。
 

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

封裝角膜緣干/祖細(xì)胞的雙重ECM支架的3D生物打印

 

文章通過快速3D生物打印技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)雙重細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）支架，用于封裝角膜緣干/祖細(xì)胞（LSCs），并研究它們在活躍和靜止?fàn)顟B(tài)下的行為。

背景與目的
角膜緣干細(xì)胞（LSCs）是維持角膜上皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵細(xì)胞類型，廣泛用于治療角膜緣干細(xì)胞缺乏癥（LSCD）等角膜疾病。為了更好地研究LSCs與其微環(huán)境的相互作用，本文采用了數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)，快速打印出基于不同ECM材料的水凝膠支架，封裝了LSCs并對其行為進(jìn)行了深入研究(3D Bioprinting of Dual …)。

雙重ECM支架的構(gòu)建

• 使用材料：主要采用了兩種不同的ECM材料，分別是甲基丙烯酸化明膠（GelMA）和甲基丙烯酸化透明質(zhì)酸（HAGM），并通過DLP生物打印技術(shù)構(gòu)建了微尺度的3D水凝膠支架。這兩種材料不僅能夠支持LSCs的存活，還能通過不同的機(jī)械性能影響細(xì)胞的行為(3D Bioprinting of Dual …)。
• 打印過程：DLP技術(shù)使用數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）來控制光固化反應(yīng)，根據(jù)預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)圖案打印出復(fù)雜的3D支架。打印出的支架包含GelMA和HAGM兩個(gè)不同區(qū)域，分別用于模擬活躍和靜止的LSC狀態(tài)(3D Bioprinting of Dual …)。

LSCs的封裝與培養(yǎng)

• 細(xì)胞封裝：研究首先從兔角膜緣組織中分離出初級LSCs，并封裝在GelMA和HAGM支架中進(jìn)行培養(yǎng)。Live/Dead™染色結(jié)果表明，經(jīng)過7天的培養(yǎng)，LSCs在這兩種支架中均表現(xiàn)出高存活率(3D Bioprinting of Dual …)。
• 狀態(tài)差異：LSCs在GelMA基質(zhì)中表現(xiàn)出活躍的狀態(tài)，顯示出較高的增殖標(biāo)記（如KI67）表達(dá)，而在HAGM基質(zhì)中則表現(xiàn)出靜止?fàn)顟B(tài)，增殖標(biāo)記顯著減少，靜止標(biāo)記（如CD200、P27KIP1）顯著上調(diào)(3D Bioprinting of Dual …)。

Yin-Yang雙ECM模型的設(shè)計(jì)

• 研究進(jìn)一步結(jié)合GelMA和HAGM兩種ECM材料，設(shè)計(jì)并打印了一個(gè)雙重ECM的“Yin-Yang模型”。這個(gè)模型能夠同時(shí)在不同區(qū)域內(nèi)維持LSCs的活躍和靜止?fàn)顟B(tài)，模擬了真實(shí)組織中不同狀態(tài)的干細(xì)胞微環(huán)境(3D Bioprinting of Dual …)。
• 生物學(xué)驗(yàn)證：通過免疫熒光染色和流式細(xì)胞術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)LSCs在Yin-Yang模型中的不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的生物學(xué)行為，活躍區(qū)域的細(xì)胞顯示出較高的增殖能力，而靜止區(qū)域的細(xì)胞則表現(xiàn)出較強(qiáng)的靜止標(biāo)記表達(dá)(3D Bioprinting of Dual …)。

模型的應(yīng)用與前景
這種雙ECM支架模型不僅能夠用于研究LSCs的狀態(tài)調(diào)控機(jī)制，還能夠作為一種創(chuàng)新的疾病模型和藥物篩選平臺。通過同時(shí)在一個(gè)模型中模擬干細(xì)胞的活躍和靜止?fàn)顟B(tài)，該平臺為研究干細(xì)胞在不同生理狀態(tài)下的行為提供了重要的工具(3D Bioprinting of Dual …)。

總結(jié)
該文章展示了如何通過DLP 3D生物打印技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)雙重ECM支架，用于封裝角膜緣干細(xì)胞，并研究了其在活躍和靜止?fàn)顟B(tài)下的行為。通過這個(gè)創(chuàng)新的Yin-Yang模型，研究人員能夠更好地模擬干細(xì)胞的復(fù)雜微環(huán)境，為未來的再生醫(yī)學(xué)和藥物篩選提供了新的研究平臺。

四 膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型（Glioblastoma models）
1. Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments model cellular dependencies and immune interactions
三維生物打印的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤微環(huán)境模型中的細(xì)胞依賴性和免疫相互作用
 

這篇文章的主要目的是通過快速3D生物打印技術(shù)構(gòu)建一個(gè)多因素的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤微環(huán)境模型，以研究細(xì)胞依賴性和免疫相互作用。以下是模型構(gòu)建的詳細(xì)介紹：

背景
膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）是最具侵襲性且致命的腦腫瘤之一，腫瘤的微環(huán)境對于其生長、侵襲和治療反應(yīng)至關(guān)重要。研究表明，腫瘤中的巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的進(jìn)展中起到重要作用。然而，傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng)或動(dòng)物模型難以精確再現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中的復(fù)雜相互作用。

3D生物打印技術(shù)的應(yīng)用
本文采用數(shù)字光處理（DLP）的3D生物打印技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)包含多種細(xì)胞類型的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型。這個(gè)模型由患者來源的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞（GSCs）、星形膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)前體細(xì)胞（NPCs）和巨噬細(xì)胞共同組成。研究者通過將這些細(xì)胞嵌入富含透明質(zhì)酸（HA）的水凝膠中，創(chuàng)建了一個(gè)高度仿生的腫瘤微環(huán)境。

打印過程

• DLP系統(tǒng)：該系統(tǒng)的核心組件是一個(gè)數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD），它通過控制UV光投射到預(yù)聚合的細(xì)胞-材料混合物上，實(shí)現(xiàn)逐層打印。打印出的模型包含一個(gè)腫瘤核心區(qū)，由高密度的GSCs和巨噬細(xì)胞組成；外圍區(qū)域由較低密度的星形膠質(zhì)細(xì)胞和NPCs組成，模擬健康腦組織。
• 水凝膠基質(zhì)：使用的基質(zhì)材料為甲基丙烯酸化明膠（GelMA）和甲基丙烯酸化透明質(zhì)酸（GMHA），這些材料的機(jī)械性能被設(shè)計(jì)為與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤組織相匹配。GSCs主要被嵌入4% GelMA和0.25% GMHA的混合物中，形成與真實(shí)腫瘤相似的基質(zhì)。

細(xì)胞封裝與模型結(jié)構(gòu)

• 在這個(gè)3D打印模型中，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞（GSCs）與星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)前體細(xì)胞相互作用，模擬了腫瘤細(xì)胞與正常腦組織之間的細(xì)胞通訊。模型還加入了巨噬細(xì)胞，重點(diǎn)研究了其在腫瘤進(jìn)展中的作用。
• 通過將不同的細(xì)胞按預(yù)設(shè)位置排列，該模型成功實(shí)現(xiàn)了腫瘤核心和外圍健康組織的分離，能夠更精確地研究不同細(xì)胞類型之間的相互作用。

模型的生物學(xué)驗(yàn)證

• 研究通過轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)3D打印的腫瘤模型能夠更好地再現(xiàn)患者膠質(zhì)母細(xì)胞瘤組織的基因表達(dá)譜。與傳統(tǒng)的球狀培養(yǎng)相比，3D模型中GSCs表現(xiàn)出更強(qiáng)的侵襲能力和抗藥性。
• 此外，加入巨噬細(xì)胞后，模型中的GSCs顯示出更顯著的低氧反應(yīng)和基質(zhì)重塑，這些特征與患者體內(nèi)的腫瘤表現(xiàn)一致。

模型的應(yīng)用前景
該模型展示了其在研究腫瘤-免疫相互作用、藥物篩選以及腫瘤進(jìn)展機(jī)制中的廣泛應(yīng)用潛力。特別是它能夠用于分析巨噬細(xì)胞在腫瘤中的作用、細(xì)胞-細(xì)胞通訊，以及腫瘤細(xì)胞對藥物的反應(yīng)，為未來的個(gè)性化治療提供了重要工具。

總結(jié)
這篇文章通過DLP 3D生物打印技術(shù)，成功構(gòu)建了一個(gè)復(fù)雜的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤微環(huán)境模型，該模型能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中的多種細(xì)胞相互作用。這一模型不僅提供了研究腫瘤細(xì)胞依賴性和免疫相互作用的新平臺，還為未來的癌癥藥物篩選和治療提供了新的可能性。

2. Rapid 3D Bioprinting of Glioblastoma Model Mimicking Native Biophysical Heterogeneity
快速3D生物打印膠質(zhì)母細(xì)胞瘤模型，模擬天然生物物理異質(zhì)性
 

文章通過快速3D生物打印技術(shù)構(gòu)建膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）的生物物理模式，用于研究腫瘤的發(fā)生和血管生成。以下是模型構(gòu)建的主要內(nèi)容：

模型背景
膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是最具侵襲性的大腦腫瘤之一，具有高度異質(zhì)性，尤其是在細(xì)胞成分和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）方面�，F(xiàn)有的2D模型無法準(zhǔn)確模擬這種復(fù)雜的微環(huán)境，因此該研究通過3D生物打印技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)生理相關(guān)的三維模型，用于研究不同生物物理?xiàng)l件下的細(xì)胞行為。

模型構(gòu)建過程

• DLP 3D生物打印技術(shù)：利用數(shù)字光處理技術(shù)（DLP），研究人員能夠快速打印出具有不同硬度和微結(jié)構(gòu)的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤微環(huán)境模型。模型中包含三個(gè)主要區(qū)域：腫瘤細(xì)胞區(qū)域、無細(xì)胞的ECM區(qū)域，以及模擬腦毛細(xì)血管的內(nèi)皮細(xì)胞區(qū)域。
• 生物物理圖案化：模型通過控制水凝膠的硬度和微環(huán)境中的其他物理?xiàng)l件，生成不同的硬度模式，分別代表健康腦組織和病變組織的物理特性。硬的基質(zhì)促使細(xì)胞表現(xiàn)出更具侵襲性的間充質(zhì)表型，而軟基質(zhì)則促進(jìn)經(jīng)典表型和細(xì)胞增殖。

細(xì)胞與基質(zhì)的相互作用
該模型使用了患者來源的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞與人內(nèi)皮細(xì)胞共同打印，結(jié)合透明質(zhì)酸衍生物，形成具有生物化學(xué)相關(guān)性的腫瘤微環(huán)境。該模型不僅展示了腫瘤細(xì)胞對不同基質(zhì)硬度的響應(yīng)，還模擬了腫瘤細(xì)胞的血管生成潛力，為研究腫瘤異質(zhì)性和耐藥性提供了新平臺。

模型應(yīng)用
研究表明，該模型可用于模擬不同亞型的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，特別是用于探討腫瘤生長、侵襲行為和血管生成。此外，該模型能夠通過不同區(qū)域的硬度差異，研究腫瘤細(xì)胞對化療藥物（如替莫唑胺）的反應(yīng)和抗藥性。

總結(jié)
這篇文章展示了一個(gè)生物物理圖案化的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤3D模型，通過快速3D生物打印技術(shù)，再現(xiàn)了腫瘤的異質(zhì)性和侵襲性。該模型為研究腫瘤生物學(xué)和開發(fā)新的治療方法提供了有效的平臺，尤其是在研究腫瘤發(fā)生、血管生成和耐藥性方面。

五 血管結(jié)構(gòu)模型（Vasculature）
Direct 3D Bioprinting of Prevascularized Tissue Constructs with Complex Microarchitecture
復(fù)雜微結(jié)構(gòu)預(yù)血管化組織構(gòu)建的直接3D生物打印
 

文章主要介紹了一種基于快速3D生物打印技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的預(yù)血管化組織模型。：

背景
組織工程在再生醫(yī)學(xué)中發(fā)揮著重要作用，特別是在開發(fā)人工器官方面。血管網(wǎng)絡(luò)的形成是支持大規(guī)模、高代謝組織存活的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的組織工程方法在構(gòu)建復(fù)雜的血管化組織方面面臨挑戰(zhàn)，尤其是構(gòu)建能夠在移植后迅速與宿主循環(huán)系統(tǒng)對接的預(yù)血管化組織。

3D生物打印技術(shù)的應(yīng)用
文章中采用了微尺度連續(xù)光學(xué)生物打印技術(shù)（mCOB），這是一種基于數(shù)字光處理（DLP）的快速3D生物打印方法。該技術(shù)通過投射紫外光進(jìn)行光聚合反應(yīng)，不需要犧牲性材料或灌流步驟，直接將內(nèi)皮細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞封裝到水凝膠中，并形成預(yù)先設(shè)計(jì)的血管網(wǎng)絡(luò)。

打印過程

• 生物墨水與材料：使用的主要材料為甲基丙烯酸化透明質(zhì)酸（GM-HA）和明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）。這些材料兼具生物相容性和可調(diào)的機(jī)械性能，能夠支持細(xì)胞的生長與血管化。
• 模型設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)了三種數(shù)字面罩用于打印不同寬度的血管通道，模擬血管網(wǎng)絡(luò)的分支結(jié)構(gòu)。通過這種方法，研究人員成功打印出具有不同通道寬度（50到250微米）的組織模型，同時(shí)精確控制了細(xì)胞的分布。

細(xì)胞封裝與生物學(xué)驗(yàn)證

• 細(xì)胞封裝：內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）與基質(zhì)細(xì)胞（10T1/2）被直接封裝到設(shè)計(jì)的血管通道中，形成類似血管的結(jié)構(gòu)。在體外培養(yǎng)一周后，通過免疫熒光染色觀察到內(nèi)皮細(xì)胞在通道壁上形成了管腔樣結(jié)構(gòu)。
• 細(xì)胞存活率：在打印后的第1、3、7天進(jìn)行細(xì)胞存活率測試，結(jié)果顯示細(xì)胞存活率超過85%，表明該打印技術(shù)具有高度的生物相容性。

模型的體內(nèi)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證預(yù)血管化組織在體內(nèi)的血管網(wǎng)絡(luò)形成，研究人員將打印的組織移植到小鼠皮下。兩周后，預(yù)血管化組織展示了與宿主循環(huán)系統(tǒng)的對接（吻合），形成了功能性血管網(wǎng)絡(luò)，而非預(yù)血管化組織的血管化程度顯著較低。

總結(jié)
這篇文章通過mCOB 3D生物打印技術(shù)，成功構(gòu)建了具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的預(yù)血管化組織模型。該技術(shù)不僅加快了組織工程的構(gòu)建速度，還提高了模型的可擴(kuò)展性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印精度，展示了在未來再生醫(yī)學(xué)和器官移植中的巨大潛力。

六 生長因子釋放模型（Growth factor release model）
Controlled Growth Factor Release in 3D-Printed Hydrogels
在3D打印水凝膠中控制生長因子的釋放

 

文章主要介紹了一種通過3D打印技術(shù)構(gòu)建的水凝膠系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了在水凝膠中控制生長因子（GFs）釋放的機(jī)制。

背景
生長因子在組織再生中起著至關(guān)重要的作用，但其在體內(nèi)的快速代謝使得它們難以持續(xù)發(fā)揮作用。通過將生長因子封裝在水凝膠中，可以調(diào)控其釋放速度，進(jìn)而延長其作用時(shí)間。本文研究了利用不同幾何結(jié)構(gòu)的3D打印水凝膠來控制生長因子的釋放(Controlled Growth Facto…)。

3D生物打印水凝膠的構(gòu)建
研究團(tuán)隊(duì)利用DLP（數(shù)字光處理）3D打印技術(shù)構(gòu)建了一系列復(fù)雜形狀的水凝膠結(jié)構(gòu)，如核心-殼層的柱狀結(jié)構(gòu)。這種打印技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)（1分鐘內(nèi)）快速生成包含生長因子的水凝膠，且通過設(shè)計(jì)不同的幾何形狀來調(diào)控生長因子的釋放(Controlled Growth Facto…)。

核心-殼層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與打印

• 材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：研究使用了含有甲基丙烯酸化透明質(zhì)酸（HA-GM）和巰基化肝素（Hep-SH）的水凝膠，并將生長因子封裝在水凝膠的核心區(qū)域。然后通過打印第二層“殼層”結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步延緩生長因子的釋放。通過改變殼層的厚度，可以實(shí)現(xiàn)對生長因子釋放速度的精確調(diào)控(Controlled Growth Facto…)。
• 核心-殼層設(shè)計(jì)的效果：結(jié)果顯示，增加殼層厚度能夠顯著減緩生長因子的釋放。例如，殼層厚度為1毫米的結(jié)構(gòu)相比0.25毫米的結(jié)構(gòu)，生長因子的釋放速度顯著降低，這表明幾何形狀對生長因子的釋放有顯著影響(Controlled Growth Facto…)。

多種生長因子的順序釋放
此外，研究還探索了在同一結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多種生長因子的順序釋放。例如，將血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和血小板衍生生長因子（PDGF）封裝在不同的殼層和核心區(qū)域，通過控制其空間排列來實(shí)現(xiàn)按順序釋放。結(jié)果顯示，VEGF和PDGF能夠按預(yù)期順序釋放，且釋放速度受幾何結(jié)構(gòu)的影響(Controlled Growth Facto…)。

總結(jié)
這篇文章展示了如何通過DLP 3D打印技術(shù)構(gòu)建不同幾何形狀的水凝膠系統(tǒng)，以控制生長因子的釋放速度和順序。通過這種方法，可以實(shí)現(xiàn)對生長因子的精準(zhǔn)調(diào)控，為組織再生和藥物遞送提供了新平臺。

七 微結(jié)構(gòu)模型（Microstructure）
3D Printed Artificial Micro-Fish
3D打印的仿生微魚
 

 

這篇文章 “3D Printed Artificial Micro-Fish” 主要介紹了通過快速3D微打印技術(shù)（μCOP）構(gòu)建的仿生微魚（microfish）模型，用于多功能應(yīng)用，如化學(xué)推動(dòng)、磁力引導(dǎo)以及解毒等。以下是模型構(gòu)建的詳細(xì)介紹：

背景
微尺度游動(dòng)機(jī)器人或微泳者具有多種應(yīng)用，包括藥物遞送、環(huán)境凈化和生物傳感。模仿自然界中的水生生物（如魚類）的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，構(gòu)建功能化的微尺度機(jī)器人，是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。然而，傳統(tǒng)的微制造方法難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)及功能化納米材料的集成。

3D微打印技術(shù)的應(yīng)用
該研究使用了微尺度連續(xù)光學(xué)打印（μCOP）技術(shù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)打印出具有高分辨率（約1微米）和復(fù)雜形態(tài)的微魚結(jié)構(gòu)。通過這項(xiàng)技術(shù)，研究人員能夠在幾秒鐘內(nèi)打印出多種仿生結(jié)構(gòu)，并嵌入功能性納米顆粒以賦予微魚不同的能力。

微魚的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

• 材料與功能：微魚的主體由聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）基水凝膠制成，這種材料因其生物相容性而被廣泛應(yīng)用。研究人員將不同類型的功能化納米顆粒嵌入微魚的不同部位：
• 鉑（Pt）納米顆粒：嵌入魚尾，提供化學(xué)推動(dòng)力，利用過氧化氫（H₂O₂）的分解產(chǎn)生氧氣泡，從而驅(qū)動(dòng)微魚前進(jìn)。
• 氧化鐵（Fe₃O₄）納米顆粒：嵌入魚頭，實(shí)現(xiàn)磁力引導(dǎo)，能夠通過外部磁場控制微魚的運(yùn)動(dòng)。
• 結(jié)構(gòu)與打印過程：μCOP平臺通過數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）生成光學(xué)圖案，并將其投影到光敏材料上，逐層構(gòu)建魚體結(jié)構(gòu)。打印出的微魚長約120微米，厚度約30微米，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要調(diào)整尺寸和形狀。

功能驗(yàn)證

• 運(yùn)動(dòng)能力：實(shí)驗(yàn)展示了微魚在過氧化氫溶液中的自推動(dòng)力，生成的氧氣泡推動(dòng)微魚快速游動(dòng)，最大速度可達(dá)780微米/秒。不同形狀的微魚（如普通魚形、蝠鲼形）表現(xiàn)出不同的速度，研究還發(fā)現(xiàn)鉑顆粒的濃度與微魚的推進(jìn)速度成正比。
• 磁力控制：通過嵌入氧化鐵納米顆粒，微魚能夠在外部磁場的控制下實(shí)現(xiàn)精確的方向引導(dǎo)。
• 解毒功能：研究進(jìn)一步展示了微魚在解毒領(lǐng)域的應(yīng)用，微魚通過嵌入聚二乙炔（PDA）納米顆粒，能夠有效捕獲并中和蜜蜂毒素（melittin），并通過熒光信號驗(yàn)證了解毒效率。

總結(jié)
該研究展示了通過μCOP技術(shù)快速3D打印的仿生微魚模型，具有自驅(qū)動(dòng)、磁力控制和解毒等多功能應(yīng)用。該模型為未來的藥物遞送、環(huán)境凈化及生物傳感等領(lǐng)域提供了極具前景的工具。