【LUMEN X Gen 3】用光构筑生命 — 应用案例四

欢迎来到【LUMEN X Gen 3】用光构筑生命应用案例系列！

在这个系列中，我们将带您深入探索生物打印技术

在不同领域中的应用，

探讨其所带来的变革和革新。

LUMEN X Gen 3 是一种将光固化生物打印物技术，

通过利用高度精确的激光束

来控制细胞的生长和形态，

实现了对三维生物结构的精准打印。

我们将通过一系列案例，

向您展示这项技术在

组织工程、医学研究、生命科学等领域的应用，

为您呈现一个崭新的、光构筑的生命世界。

应用案例 【四】

基于可见光的4D生物打印组织支架

我们深入了解一项成功的应用案例，展示了通过结合光吸收剂引起的光衰减和差异交联效应，实现了结构的快速形状变化，使其具备结构各向异性的特性。

该研究利用了3D打印机 LUMEN X 3D生物打印技术在可见光下（405纳米）进行打印，开发一种用于4D生物打印的细胞相容性生物墨水配方，可制备用于组织工程的具有形状变化能力和载有细胞的水凝胶结构。

客户应用案例【四】

Visible Light-Based 4D-Bioprinted Tissue Scaffold

新兴的四维（4D）打印策略为传统的三维（3D）生物打印结构提供了改进的替代方案，以提高组织工程应用的合规性和简单性。然而，关于通过数字光处理（DLP）制备的简单3D生物打印结构的报道很少。

本研究开发了一种生物墨水配方，由明胶甲基丙烯酰（GelMA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDM）与光引发剂和光吸收剂的混合物组成，并通过基于DLP的3D生物打印在可见光下进行打印（405纳米）。通过差异交联效应，结合光吸收剂引起的光衰减，这些3D生物打印结构可实现结构各向异性，并在水合后快速发生形状变形（低至约30分钟）。通过控制板材厚度和带角度的股线的结合，对3D打印结构的变形进行了精确控制。此外，4D生物打印凝胶支持细胞的活力和增殖。综上所述，本研究引入了一种细胞相容性的生物墨水配方，用于4D生物打印，以制备形状变形的水凝胶，可用于组织工程应用。

4D生物打印技术：

解锁复杂组织模拟和功能性器官的未来

3D生物打印技术的目标是设计组织模拟结构，以实现修复/再生的功能性组织/器官，并创建用于药物发现和精准医学的疾病模型。然而，目前的3D生物打印方法存在时间控制方面的限制，无法重建动态组织的复杂性和功能性。为解决这一问题，新兴的4D打印技术通过提供对打印支架变形的时间控制来实现复杂的平面外组织结构。

4D打印利用温度、溶剂、光、磁场等外部线索来调整3D打印支架的配置和属性，适用于各种材料，并可在生物打印、药物输送等领域发挥作用。然而，一些展示的4D打印结构通常使用细胞毒性材料或刺激物，以限制其在生物打印中的应用。4D生物制造策略包括将细胞或组织结构植入打印结构中，然后通过细胞友好的刺激来实现后续转化，其中几何变化是重点研究的方向。

4D生物打印具有许多优势，包括能够模拟组织动力学、快速构建多细胞层状管状几何结构（如血管移植物）、改善组织结构的功能反应以及开发微创外科手术。对于组织工程、软机器人、执行器、传感、药物输送等应用，变形水凝胶的生物相容性和温和的印刷条件特别有吸引力。由天然生物材料制备的3D生物打印结构采用水合基质，其机械特性与细胞外基质(ECM)非常相似，可以提供细胞结合位点以增强活力、增殖、分化和组织特异性ECM沉积。然而，由天然生物材料制备的3D生物打印组织结构无法响应外部线索和静态性质，从而限制了它们在工程动态组织中的应用。此外，软水凝胶不适合打印复杂形状的结构，如悬垂和流明。为克服这些挑战，4D生物打印可以通过提供对细胞友好的线索最终创建复杂的几何形状。

图1：印刷结构的生物墨水可印刷性、流变学和机械特性。a） 用于DLP 3D生物打印机的打印参数；b） STL模型的不同设计在优化打印条件下的可打印性（比例尺=5mm）；c） 3D打印凝胶的振幅（i）和频率扫描（ii）图；d） 3D打印凝胶在5-25%应变范围内的压缩模量。

方案1:P2G12.5生物墨水在PBS或细胞培养基中的4D打印/生物打印方法。1.在DLP生物打印机中设置STL模型切片和打印参数；2.生物墨水成分；3.打印过程的放大视图；4.水化后的印刷结构和变形结构。

图2：水合作用对不同尺寸平板的影响。a（i）尺寸为20.20 X 16.20 X 1.20 mm3的STL锉刀平板的等距视图；a（ii）平衡膨胀后的变形形状；a（iii）稳定的空心管，无泄漏。（比例尺=5 mm）；b（i）STL锉刀平板的等距视图，尺寸为15 X 10 X 0.8 mm3；b（ii）平衡膨胀后的变形形状；b（iii）稳定的中空管，无泄漏，用蓝色溶液染色（比例尺=1 mm）（长度（L）X宽度（W）X高度（H））。

图3：间隔线束对几何构型的影响。a（i）具有不同瓣叶厚度的STL星形的侧视图（#1:0.6mm；#2:0.8mm；#3:1.0mm；#4:1.2mm；#5:1.5mm）；a（ii）俯视图；a（iii）每张传单的尺寸；b（i）在DI水中平衡溶胀2小时后变形形状的侧视图；b（ii）变形形状的俯视图；b（iii）从DI水中移除结构后的变形形状稳定性（比例尺=10mm）。水化对0.5 mm平板基底上具有0.3 mm高度和0.2 mm股间间隙的纵向、45°、横向成角度股线的影响；c（i，ii，iii）尺寸为15 X 10 X 0.8 mm3的线束纵向、横向、45°排列的图像；d（i，ii，iii）在DI中平衡后的变形形状，用于15 X 10 X 0.8 mm3尺寸的绞线的纵向、横向、45°排列。（比例尺=1 mm）。

本文研究提出了一种针对基于DLP的 LUMEN X 3D生物打印进行4D生物打印优化的新型生物墨水配方。4D生物打印凝胶具有细胞相容性，并通过良性提示介导的水合形式引发大而快速的形状变化。由此制备的4D打印凝胶可以获得复杂的几何形状，如管状结构，适用于再生和疾病模型等各种组织工程应用。利用创新的设计策略进一步优化基于这种生物墨水的4D生物打印结构，可以实现复杂的几何形状，如软骨、腺体结构和软机器人的抓手等。简单的几何形状，如平板或基于数学模型的预编程设计，可以通过DLP快速打印，以在细胞友好的提示（如水合作用）刺激后实现充满细胞的多层复杂几何形状。涉及载有细胞的多层结构的4D生物打印可为制造血管移植物和悬垂结构提供快速方法，避免其他3D生物打印方法中的打印时间增加和苛刻打印条件所带来的细胞损伤和细胞毒性。

总结 LUMEN X

LUMEN X 是一款高端的光固化生物打印机，通过新型生物墨水配方实现基于DLP的4D生物打印优化，创造复杂几何形状。适用于组织工程，如再生和疾病模型。优化4D生物打印结构，包括软骨、腺体和软机器人抓手。快速制造血管移植物和悬垂结构，避免细胞损伤和毒性。

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