BIONOVA X 3D生物打印機在組織工程中的前沿應用及復雜器官模型構建

Cellink BIONOVA X 是一款先進的 DLP（數(shù)字光處理）技術 3D生物打印機，專為高分辨率、快速和生物友好的打印設計，主要用于生物醫(yī)學和組織工程領域。它在藥物開發(fā)、疾病建模和再生醫(yī)學等高通量研究中發(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用，從肝臟組織到心肌微組織，甚至神經系統(tǒng)疾病建模。通過這款3D生物打印機，研究者能夠在高通量平臺上快速創(chuàng)建精確的3D 結構，極大提升了打印速度和精度，尤其是在構建具有復雜微結構的組織時，BIONOVA X 可以輕松實現(xiàn)多細胞類型和多材料的高效組合。為再生醫(yī)學和個性化藥物篩選提供了新的可能性。

一 肝臟模型（Liver model）構建

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

通過快速3D生物打印構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是通過快速3D生物打印技術，構建一種由人誘導多能干細胞（hiPSCs）衍生的仿生肝臟模型，用于個性化藥物篩選和疾病研究。

肝臟模型的構建背景
肝臟在蛋白質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。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的微環(huán)境，導致肝細胞在培養(yǎng)中迅速失去其功能。

iPSCs在肝臟模型中的應用
人誘導多能干細胞（hiPSCs）被認為是開發(fā)個性化肝臟模型的理想細胞來源。與原代肝細胞相比，hiPSCs更易獲取并且具備分化成肝細胞的潛力。研究中利用了hiPSCs通過特定分化流程衍生成肝前體細胞（HPCs），這些細胞能進一步分化為成熟的肝細胞。

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

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

3D培養(yǎng)條件下的肝細胞功能增強
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)學組織化、肝特異性基因表達水平提升、代謝產物分泌增加以及細胞色素P450（CYP）酶的誘導增強。這表明，在3D仿生環(huán)境中，肝前體細胞得到了更好的功能維護和成熟。

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

總結
這篇文章通過DLP 3D生物打印技術成功構建了一個生理相關的人iPSC衍生肝臟模型，不僅有效增強了肝細胞的功能，還展示了該模型在藥物篩選和疾病建模中的應用前景。這種模型具有巨大的臨床轉化潛力，尤其是在個性化醫(yī)學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)域性可變機械性能和仿生微結構的去細胞外基質的快速3D生物打印
 

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

去細胞外基質的制備
文章首先使用去細胞技術從豬肝臟中提取出去細胞外基質（dECM），這個過程包括去除細胞、保存膠原纖維和基質的關鍵成分。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生物打印技術的應用
本文采用DLP（數(shù)字光處理）技術，利用數(shù)字微鏡設備（DMD）控制UV光源在預設的圖案上進行光固化反應，逐層構建肝臟dECM支架。打印出的支架具有與肝小葉尺寸相當?shù)牧�邊形結構，用于模擬肝臟微環(huán)境。

肝癌模型的構建與細胞培養(yǎng)
使用打印出的dECM支架對HepG2肝癌細胞進行培養(yǎng)，實驗中展示了HepG2細胞在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，dECM基質支架更好地支持了肝癌細胞的增殖和肝特異性基因的表達。

機械性能調控
通過調節(jié)打印時的UV光曝光時間，研究人員能夠在同一個支架中生成具有不同機械強度的區(qū)域，從而模擬健康肝臟與病變肝臟（如肝硬化）的硬度差異。實驗顯示，HepG2細胞在硬化的dECM支架中表現(xiàn)出較低的增殖和更高的侵襲潛能，表明肝癌細胞在硬化環(huán)境中的惡性程度更高。

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

研究意義
這項研究展示了如何通過快速3D生物打印技術，結合dECM材料構建生理相關的肝臟微環(huán)境，用于研究肝細胞癌的進展與侵襲。這種平臺為理解肝癌細胞在病理環(huán)境中的行為機制提供了一個創(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
這篇文章通過利用去細胞外基質和DLP 3D生物打印技術，成功構建了一個可用于研究肝癌侵襲和進展的3D生物模型。通過調控支架的機械性能和設計復雜的微結構，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，同時展示了在組織工程和疾病建模中的廣泛應用前景。

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生物打印技術構建與天然心肌組織相似的心臟微組織模型的過程和應用。

背景
心臟是由各向異性排列的心肌細胞組成的復雜三維（3D）組織，其收縮功能是心臟泵血的核心。然而，現(xiàn)有的工程技術在體外模擬這些心肌組織時，面臨著使心肌細胞在3D空間內正確對齊和分化的挑戰(zhàn)。因此，研究團隊開發(fā)了一種新的3D生物打印方法，用于構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構。

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

心臟微組織的構建
在實驗中，研究人員使用來自新生小鼠的心室心肌細胞（NMVCMs），將這些細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構的心臟微組織。打印出的組織展示了心肌細胞與微結構對齊的能力，模仿了天然心肌的肌原纖維排列。

力學測試與功能評價
打印出的心臟組織通過一個集成的3D打印力測量系統(tǒng)測量其收縮產生的力。結果顯示，對齊的3D心肌微組織比傳統(tǒng)的2D心肌組織產生了近兩倍的力。同時，研究人員還通過不同的幾何圖案測試了對細胞排列和組織收縮力的影響。更復雜的圖案，如網格狀或隨機圖案，會導致心肌細胞的排列和收縮力減弱，而簡單的線性圖案能夠顯著增強細胞的對齊和組織力(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。這一結果驗證了打印的心臟微組織在藥物篩選和疾病模型構建中的潛在應用價值(3D Bioprinting of Cardi…)。

總結
該文章通過快速3D生物打印技術成功構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胞對齊、組織收縮力和藥物反應等方面的潛力。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，導致大量的死亡。因此，開發(fā)用于心臟病藥物篩選的精準模型至關重要。現(xiàn)有的二維（2D）培養(yǎng)模型和動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雜細胞-細胞、細胞-基質和細胞-組織相互作用�；�于此，本研究開發(fā)了一種通過3D生物打印技術構建的人類誘導多能干細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

• 打印時間非常短，整個過程在幾秒鐘內完成，使得細胞在打印過程中能夠保持活力。

• 研究團隊使用了微連續(xù)光學打�。�μCOP）技術，這種技術能夠通過快速光固化，將細胞和水凝膠材料打印成復雜的三維結構。

• 心臟組織的結構：打印出的心臟微組織包括一個基底層、柱狀支架層以及嵌入細胞的GelMA層。這些柱狀支架用于測量心臟組織的收縮力，同時提供力學應力，幫助心肌細胞對齊。

心臟微組織的構建與培養(yǎng)

• 使用人類誘導多能干細胞（hiPSCs）分化成心肌細胞，并與人類心室成纖維細胞（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，并且經過7天的培養(yǎng)后，心肌細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。

• 研究進一步驗證了這些3D打印的心臟微組織能夠對藥物做出反應。在實驗中，使用了兩種常用的心臟相關藥物異丙腎上腺素（ISO）和維拉帕米（VERA）進行藥物測試。結果顯示，打印的心臟微組織能夠根據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)結合，用于更廣泛的疾病研究和個性化醫(yī)療測試。

總結
這篇文章通過快速3D生物打印技術成功構建了一個用于藥物篩選的人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構和功能，還能有效地用于高通量藥物篩選，具有廣泛的應用前景，尤其是在心臟藥物開發(fā)和個性化疾病研究領域。

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生物打印技術構建一個用于翼狀胬肉（pterygium）研究的多細胞模型，該模型重現(xiàn)了翼狀胬肉的微環(huán)境。以下是重點介紹模型構建的詳細內容：

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

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

模型的細胞組成與打印過程

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

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

模型的生物學表征

• 基因組學分析：研究團隊通過RNA測序對3D模型進行了全基因組轉錄分析，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、上皮-間質轉化（EMT）、血管生成等方面的基因顯著上調，展示了3D打印環(huán)境對細胞狀態(tài)的顯著影響。

• 細胞存活性與功能性：在打印后的3D模型中，細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，細胞的存活性和干細胞特性得到了很好保持。此外，模型中的hCjSCs成功分化為結膜杯狀細胞，表現(xiàn)出特征性粘蛋白的表達。

模型的應用前景

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

總結

這篇文章展示了如何通過DLP 3D生物打印技術，成功構建了一個模擬翼狀胬肉微環(huán)境的多細胞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生物打印技術構建了一個雙重細胞外基質（ECM）支架，用于封裝角膜緣干/祖細胞（LSCs），并研究它們在活躍和靜止狀態(tài)下的行為。

背景與目的
角膜緣干細胞（LSCs）是維持角膜上皮細胞穩(wěn)態(tài)的關鍵細胞類型，廣泛用于治療角膜緣干細胞缺乏癥（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，快速打印出基于不同ECM材料的水凝膠支架，封裝了LSCs并對其行為進行了深入研究(3D Bioprinting of Dual …)。

雙重ECM支架的構建

• 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酸（HAGM），并通過DLP生物打印技術構建了微尺度的3D水凝膠支架。這兩種材料不僅能夠支持LSCs的存活，還能通過不同的機械性能影響細胞的行為(3D Bioprinting of Dual …)。
• 打印過程：DLP技術使用數(shù)字微鏡設備（DMD）來控制光固化反應，根據預設的設計圖案打印出復雜的3D支架。打印出的支架包含GelMA和HAGM兩個不同區(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支架中進行培養(yǎng)。Live/Dead™染色結果表明，經過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基質中表現(xiàn)出活躍的狀態(tài)，顯示出較高的增殖標記（如KI67）表達，而在HAGM基質中則表現(xiàn)出靜止狀態(tài)，增殖標記顯著減少，靜止標記（如CD200、P27KIP1）顯著上調(3D Bioprinting of Dual …)。

Yin-Yang雙ECM模型的設計

• 研究進一步結合GelMA和HAGM兩種ECM材料，設計并打印了一個雙重ECM的“Yin-Yang模型”。這個模型能夠同時在不同區(qū)域內維持LSCs的活躍和靜止狀態(tài)，模擬了真實組織中不同狀態(tài)的干細胞微環(huán)境(3D Bioprinting of Dual …)。
• 生物學驗證：通過免疫熒光染色和流式細胞術，研究發(fā)現(xiàn)LSCs在Yin-Yang模型中的不同區(qū)域表現(xiàn)出不同的生物學行為，活躍區(qū)域的細胞顯示出較高的增殖能力，而靜止區(qū)域的細胞則表現(xiàn)出較強的靜止標記表達(3D Bioprinting of Dual …)。

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

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

四 膠質母細胞瘤模型（Glioblastoma models）
1. Three-dimensional bioprinted glioblastoma microenvironments model cellular dependencies and immune interactions
三維生物打印的膠質母細胞瘤微環(huán)境模型中的細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生物打印技術構建一個多因素的膠質母細胞瘤微環(huán)境模型，以研究細胞依賴性和免疫相互作用。以下是模型構建的詳細介紹：

背景
膠質母細胞瘤（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、侵襲和治療反應至關重要。研究表明，腫瘤中的巨噬細胞和小膠質細胞在膠質母細胞瘤的進展中起到重要作用。然而，傳統(tǒng)的2D細胞培養(yǎng)或動物模型難以精確再現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中的復雜相互作用。

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

打印過程

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

細胞封裝與模型結構

• 在這個3D打印模型中，膠質母細胞瘤干細胞（GSCs）與星形膠質細胞和神經前體細胞相互作用，模擬了腫瘤細胞與正常腦組織之間的細胞通訊。模型還加入了巨噬細胞，重點研究了其在腫瘤進展中的作用。
• 通過將不同的細胞按預設位置排列，該模型成功實現(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胞類型之間的相互作用。

模型的生物學驗證

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

模型的應用前景
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展機制中的廣泛應用潛力。特別是它能夠用于分析巨噬細胞在腫瘤中的作用、細胞-細胞通訊，以及腫瘤細胞對藥物的反應，為未來的個性化治療提供了重要工具。

總結
這篇文章通過DLP 3D生物打印技術，成功構建了一個復雜的膠質母細胞瘤微環(huán)境模型，該模型能夠準確再現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中的多種細胞相互作用。這一模型不僅提供了研究腫瘤細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生物打印膠質母細胞瘤模型，模擬天然生物物理異質性
 

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

模型背景
膠質母細胞瘤是最具侵襲性的大腦腫瘤之一，具有高度異質性，尤其是在細胞成分和細胞外基質（ECM）方面�，F(xiàn)有的2D模型無法準確模擬這種復雜的微環(huán)境，因此該研究通過3D生物打印技術構建了一個生理相關的三維模型，用于研究不同生物物理條件下的細胞行為。

模型構建過程

• DLP 3D生物打印技術：利用數(shù)字光處理技術（DLP），研究人員能夠快速打印出具有不同硬度和微結構的膠質母細胞瘤微環(huán)境模型。模型中包含三個主要區(qū)域：腫瘤細胞區(qū)域、無細胞的ECM區(qū)域，以及模擬腦毛細血管的內皮細胞區(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)境中的其他物理條件，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。硬的基質促使細胞表現(xiàn)出更具侵襲性的間充質表型，而軟基質則促進經典表型和細胞增殖。

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

模型應用
研究表明，該模型可用于模擬不同亞型的膠質母細胞瘤，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，研究腫瘤細胞對化療藥物（如替莫唑胺）的反應和抗藥性。

總結
這篇文章展示了一個生物物理圖案化的膠質母細胞瘤3D模型，通過快速3D生物打印技術，再現(xiàn)了腫瘤的異質性和侵襲性。該模型為研究腫瘤生物學和開發(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 血管結構模型（Vasculature）
Direct 3D Bioprinting of Prevascularized Tissue Constructs with Complex Microarchitecture
復雜微結構預血管化組織構建的直接3D生物打印
 

文章主要介紹了一種基于快速3D生物打印技術構建復雜微結構的預血管化組織模型。：

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

3D生物打印技術的應用
文章中采用了微尺度連續(xù)光學生物打印技術（mCOB），這是一種基于數(shù)字光處理（DLP）的快速3D生物打印方法。該技術通過投射紫外光進行光聚合反應，不需要犧牲性材料或灌流步驟，直接將內皮細胞和基質細胞封裝到水凝膠中，并形成預先設計的血管網絡。

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的機械性能，能夠支持細胞的生長與血管化。
• 模型設計：設計了三種數(shù)字面罩用于打印不同寬度的血管通道，模擬血管網絡的分支結構。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，同時精確控制了細胞的分布。

細胞封裝與生物學驗證

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

模型的體內驗證
為了驗證預血管化組織在體內的血管網絡形成，研究人員將打印的組織移植到小鼠皮下。兩周后，預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絡，而非預血管化組織的血管化程度顯著較低。

總結
這篇文章通過mCOB 3D生物打印技術，成功構建了具有復雜微結構的預血管化組織模型。該技術不僅加快了組織工程的構建速度，還提高了模型的可擴展性和復雜結構的打印精度，展示了在未來再生醫(yī)學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打印技術構建的水凝膠系統(tǒng)，重點研究了在水凝膠中控制生長因子（GFs）釋放的機制。

背景
生長因子在組織再生中起著至關重要的作用，但其在體內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，可以調控其釋放速度，進而延長其作用時間。本文研究了利用不同幾何結構的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建
研究團隊利用DLP（數(shù)字光處理）3D打印技術構建了一系列復雜形狀的水凝膠結構，如核心-殼層的柱狀結構。這種打印技術能夠在短時間內（1分鐘內）快速生成包含生長因子的水凝膠，且通過設計不同的幾何形狀來調控生長因子的釋放(Controlled Growth Facto…)。

核心-殼層結構的設計與打印

• 材料與結構設計：研究使用了含有甲基丙烯酸化透明質酸（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”結構來進一步延緩生長因子的釋放。通過改變殼層的厚度，可以實現(xiàn)對生長因子釋放速度的精確調控(Controlled Growth Facto…)。
• 核心-殼層設計的效果：結果顯示，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毫米的結構相比0.25毫米的結構，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構中實現(xiàn)多種生長因子的順序釋放。例如，將血管內皮生長因子（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現(xiàn)按順序釋放。結果顯示，VEGF和PDGF能夠按預期順序釋放，且釋放速度受幾何結構的影響(Controlled Growth Facto…)。

總結
這篇文章展示了如何通過DLP 3D打印技術構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，可以實現(xiàn)對生長因子的精準調控，為組織再生和藥物遞送提供了新平臺。

七 微結構模型（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（μCOP）構建的仿生微魚（microfish）模型，用于多功能應用，如化學推動、磁力引導以及解毒等。以下是模型構建的詳細介紹：

背景
微尺度游動機器人或微泳者具有多種應用，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）的運動機制，構建功能化的微尺度機器人，是推動該領域發(fā)展的重要方向。然而，傳統(tǒng)的微制造方法難以實現(xiàn)復雜三維結構及功能化納米材料的集成。

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

微魚的設計與構建

• 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，提供化學推動力，利用過氧化氫（H₂O₂）的分解產生氧氣泡，從而驅動微魚前進。
• 氧化鐵（Fe₃O₄）納米顆粒：嵌入魚頭，實現(xiàn)磁力引導，能夠通過外部磁場控制微魚的運動。
• 結構與打印過程：μCOP平臺通過數(shù)字微鏡設備（DMD）生成光學圖案，并將其投影到光敏材料上，逐層構建魚體結構。打印出的微魚長約120微米，厚度約30微米，可以根據設計需要調整尺寸和形狀。

功能驗證

• 運動能力：實驗展示了微魚在過氧化氫溶液中的自推動力，生成的氧氣泡推動微魚快速游動，最大速度可達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現(xiàn)精確的方向引導。
• 解毒功能：研究進一步展示了微魚在解毒領域的應用，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），并通過熒光信號驗證了解毒效率。

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