【LUMEN X Gen 3】用光構筑生命 — 應用案例四

歡迎來到【LUMEN X Gen 3】用光構筑生命應用案例系列！

在這個系列中，我們將帶您深入探索生物打印技術

在不同領域中的應用，

探討其所帶來的變革和革新。

LUMEN X Gen 3 是一種將光固化生物打印物技術，

通過利用高度精確的激光束

來控制細胞的生長和形態，

實現了對三維生物結構的精準打印。

我們將通過一系列案例，

向您展示這項技術在

組織工程、醫學研究、生命科學等領域的應用，

為您呈現一個嶄新的、光構筑的生命世界。

應用案例 【四】

基于可見光的4D生物打印組織支架

我們深入了解一項成功的應用案例，展示了通過結合光吸收劑引起的光衰減和差異交聯效應，實現了結構的快速形狀變化，使其具備結構各向異性的特性。

該研究利用了3D打印機 LUMEN X 3D生物打印技術在可見光下（405納米）進行打印，開發一種用于4D生物打印的細胞相容性生物墨水配方，可制備用于組織工程的具有形狀變化能力和載有細胞的水凝膠結構。

客戶應用案例【四】

Visible Light-Based 4D-Bioprinted Tissue Scaffold

新興的四維（4D）打印策略為傳統的三維（3D）生物打印結構提供了改進的替代方案，以提高組織工程應用的合規性和簡單性。然而，關于通過數字光處理（DLP）制備的簡單3D生物打印結構的報道很少。

本研究開發了一種生物墨水配方，由明膠甲基丙烯酰（GelMA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDM）與光引發劑和光吸收劑的混合物組成，并通過基于DLP的3D生物打印在可見光下進行打?。?05納米）。通過差異交聯效應，結合光吸收劑引起的光衰減，這些3D生物打印結構可實現結構各向異性，并在水合后快速發生形狀變形（低至約30分鐘）。通過控制板材厚度和帶角度的股線的結合，對3D打印結構的變形進行了精確控制。此外，4D生物打印凝膠支持細胞的活力和增殖。綜上所述，本研究引入了一種細胞相容性的生物墨水配方，用于4D生物打印，以制備形狀變形的水凝膠，可用于組織工程應用。

4D生物打印技術：

解鎖復雜組織模擬和功能性器官的未來

3D生物打印技術的目標是設計組織模擬結構，以實現修復/再生的功能性組織/器官，并創建用于藥物發現和精準醫學的疾病模型。然而，目前的3D生物打印方法存在時間控制方面的限制，無法重建動態組織的復雜性和功能性。為解決這一問題，新興的4D打印技術通過提供對打印支架變形的時間控制來實現復雜的平面外組織結構。

4D打印利用溫度、溶劑、光、磁場等外部線索來調整3D打印支架的配置和屬性，適用于各種材料，并可在生物打印、藥物輸送等領域發揮作用。然而，一些展示的4D打印結構通常使用細胞毒性材料或刺激物，以限制其在生物打印中的應用。4D生物制造策略包括將細胞或組織結構植入打印結構中，然后通過細胞友好的刺激來實現后續轉化，其中幾何變化是重點研究的方向。

4D生物打印具有許多優勢，包括能夠模擬組織動力學、快速構建多細胞層狀管狀幾何結構（如血管移植物）、改善組織結構的功能反應以及開發微創外科手術。對于組織工程、軟機器人、執行器、傳感、藥物輸送等應用，變形水凝膠的生物相容性和溫和的印刷條件特別有吸引力。由天然生物材料制備的3D生物打印結構采用水合基質，其機械特性與細胞外基質(ECM)非常相似，可以提供細胞結合位點以增強活力、增殖、分化和組織特異性ECM沉積。然而，由天然生物材料制備的3D生物打印組織結構無法響應外部線索和靜態性質，從而限制了它們在工程動態組織中的應用。此外，軟水凝膠不適合打印復雜形狀的結構，如懸垂和流明。為克服這些挑戰，4D生物打印可以通過提供對細胞友好的線索最終創建復雜的幾何形狀。

圖1：印刷結構的生物墨水可印刷性、流變學和機械特性。a） 用于DLP 3D生物打印機的打印參數；b） STL模型的不同設計在優化打印條件下的可打印性（比例尺=5mm）；c） 3D打印凝膠的振幅（i）和頻率掃描（ii）圖；d） 3D打印凝膠在5-25%應變范圍內的壓縮模量。

方案1:P2G12.5生物墨水在PBS或細胞培養基中的4D打印/生物打印方法。1.在DLP生物打印機中設置STL模型切片和打印參數；2.生物墨水成分；3.打印過程的放大視圖；4.水化后的印刷結構和變形結構。

圖2：水合作用對不同尺寸平板的影響。a（i）尺寸為20.20 X 16.20 X 1.20 mm3的STL銼刀平板的等距視圖；a（ii）平衡膨脹后的變形形狀；a（iii）穩定的空心管，無泄漏。（比例尺=5 mm）；b（i）STL銼刀平板的等距視圖，尺寸為15 X 10 X 0.8 mm3；b（ii）平衡膨脹后的變形形狀；b（iii）穩定的中空管，無泄漏，用藍色溶液染色（比例尺=1 mm）（長度（L）X寬度（W）X高度（H））。

圖3：間隔線束對幾何構型的影響。a（i）具有不同瓣葉厚度的STL星形的側視圖（#1:0.6mm；#2:0.8mm；#3:1.0mm；#4:1.2mm；#5:1.5mm）；a（ii）俯視圖；a（iii）每張傳單的尺寸；b（i）在DI水中平衡溶脹2小時后變形形狀的側視圖；b（ii）變形形狀的俯視圖；b（iii）從DI水中移除結構后的變形形狀穩定性（比例尺=10mm）。水化對0.5 mm平板基底上具有0.3 mm高度和0.2 mm股間間隙的縱向、45°、橫向成角度股線的影響；c（i，ii，iii）尺寸為15 X 10 X 0.8 mm3的線束縱向、橫向、45°排列的圖像；d（i，ii，iii）在DI中平衡后的變形形狀，用于15 X 10 X 0.8 mm3尺寸的絞線的縱向、橫向、45°排列。（比例尺=1 mm）。

本文研究提出了一種針對基于DLP的 LUMEN X 3D生物打印進行4D生物打印優化的新型生物墨水配方。4D生物打印凝膠具有細胞相容性，并通過良性提示介導的水合形式引發大而快速的形狀變化。由此制備的4D打印凝膠可以獲得復雜的幾何形狀，如管狀結構，適用于再生和疾病模型等各種組織工程應用。利用創新的設計策略進一步優化基于這種生物墨水的4D生物打印結構，可以實現復雜的幾何形狀，如軟骨、腺體結構和軟機器人的抓手等。簡單的幾何形狀，如平板或基于數學模型的預編程設計，可以通過DLP快速打印，以在細胞友好的提示（如水合作用）刺激后實現充滿細胞的多層復雜幾何形狀。涉及載有細胞的多層結構的4D生物打印可為制造血管移植物和懸垂結構提供快速方法，避免其他3D生物打印方法中的打印時間增加和苛刻打印條件所帶來的細胞損傷和細胞毒性。

總結 LUMEN X

LUMEN X 是一款高端的光固化生物打印機，通過新型生物墨水配方實現基于DLP的4D生物打印優化，創造復雜幾何形狀。適用于組織工程，如再生和疾病模型。優化4D生物打印結構，包括軟骨、腺體和軟機器人抓手?？焖僦圃煅芤浦参锖蛻掖菇Y構，避免細胞損傷和毒性。

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