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新泽西州立大学使用EnvisionTEC 3D-Bioplotter进行突破性生物材料研究

美国新泽西州立大学罗格斯分校的新泽西州生物材料中心 (以下简称NJCBM) 开发了先进的生物医学产品, 用于组织再生和药物制剂。

NJCBM 主任 Joachim Kohn 博士说: “最先进的3D打印技术是这项成果的关键部分。””我们认为增材制造是生物材料领域的突破性技术之一。”特别是 EnvisionTEC 的3D- Bioplotter 提供的功能允许我们创建原型植入物, 其独特的体系结构无法以任何其他方式进行。

整体应用案例视频介绍

摈弃人工方法&推进研究技术

科恩博士是一位博士后助理, 他将该中心的3D打印技术分为两大类:

1.定制设备, 用于测试人类细胞如何与他们开发的专业生物聚合物相互影响

2.通过NJCBM探索,以动物植入物为前提的临床研究, 并开始在骨头, 软骨, 牙齿和神经修复等项目上开展研究 。

斯蒂尔解释说: “对于我们许多植入物来说, 除了3D打印之外, 我们没有其他办法来制造这些东西。在一个案例中, 在使用3D打印之前, 植入物原型是由一群学生手工编织聚合物纤维制作的。该方法时间消耗大、劳动强度大, 但是是获得与之啮合开放组织和机构的唯一途径。

Rutgers-Woven-Fiber-stucture-2-300x168-300x168  转换为3D打印方法使这个过程更快, 更具有高度复制性。EnvisionTEC 3D-Bioplotter 生物打印机使聚合物在端口处链接在一起, 在打印平台的表面集成,然后, 这部分只是需要再消毒即可。

斯蒂尔补充说, 该中心的 3D-Bioplotter 生产型机器在生产这些结构上都是独立的。”许多其他3D打印机没有良好的控制,” “打印专用植入型聚合物, 我们需要高温高压才能打印出一个很好的单纤维,其他任何打印是不可能达到相同水平的,所以说没有3D打印技术我们无法生产植入物,没有EnvisionTEC这台生物打印机,我们更加不可能生产。”

多材料多应用

该小组在NJCBM还赞扬了Envision TEC 3D-Bioplotter在一系列应用上处理多种材料的能力。“我们每天打印不同的东西,有时需要运用上该技术在相同结构内组合材料的能力。” 该3D-Bioplotter用于NJCBM从骨支架和软骨再生到干细胞生物学的所有领域,机器的日常重复性高的使用包括用熔融聚合物(商业或个人)打印,最高温度为250摄氏度,背压为9bar(130PSI)。

Rutgers-Scaffold-Gradient-300x168-300x168  同时,NJCBM还能打印壳聚糖、胶原蛋白、明胶、海藻酸、聚乙二醇等凝胶的3D打印硅酮和水凝胶,这些凝胶可以装载到活细胞上。这些水凝胶可以作为聚合物支架同时打印,生成多种材料系统。EnvisionTEC是NJCBM的主要机器,应用范围很广。斯蒂尔还解释说,NJCBM在这一领域几十年的研究中开发的生物聚合物有巨大的差异。NJCBM创造了一系列由酪氨酸衍生而来的独特生物聚合物,它们的降解性能各不相同,从不可降解到超速降解不等。该聚合物的机械性能也不同,具有超强度和超韧度的配方,充分利用了3D-Bioplotter的设备性能。

斯蒂尔特别强调的一个例子是植入式脑探针涂层,需要把它变得高硬度后可将细电极插入大脑内,一旦插入,它就可以被超降解,并在两个小时内将探针暴露出来。

高准确度和可重复性使创新的解决方案成为可能

NJCBM还依靠EnvisionTEC(1微米轴分辨率和0.03毫米针传感分辨率)的极端精度,以创造性的方式结合各种应用。在一个例子中,他们使用电自旋亚微米,非编织纤维垫(使用他们的酪氨酸衍生聚合物之一),然后直接联合一个简单的PCL一起打印在这上面,以创建加强混合装置。

斯蒂尔说:“我们不仅使用Envision TEC来打印实际植入的或用以测试的支架,还使用了促进研究的装置。”

沿着类似的路线,NJCBM还结合了3D打印和喷枪技术,他们称之为层次打印。他们制造亚微米纤维支架,通过3D打印结构加强整体,其中垫子的孔隙率低,强度低的问题,可用3D打印加固来克服。

这种技术的结合既需要NJCBM团队所强调的准确性,也需要软件的灵活性。NJCBM团队同时也一直在强调在单一打印中移除和替换打印材料几十次的一个优点。

EnvisionTEC生物打印机系列旗舰设备

3D-BIOPLOTTER第四代-生产型

易用性与高水平的控制

斯蒂尔说, EnvisionTEC 也非常可靠, 易于使用。”例如, 我可以让它通宵运作, 但其他任何3D 打印机都没办法做到这一点。”

“另一个让我着实喜欢这台打印机的原因是它可以自动校准。校准流动速率、针位和打印面是非常重要的, 因为即使是50微米的高度差也可以导致失败。EnvisionTEC 有一个内置的,自动运行校准的高度传感器。许多其他打印机依赖于用户校准, 这就将整个操作流程变慢得多、 也是后面数据不准确的原因。EnvisionTEC 的传感器和基于摄像机的自动校准就是另一个让它独树一帜的原因。

“我可以信任我的学生运用这台打印机, 因为它很可靠,操作界面简单 , 并且它有很多的内置安全措施避免用户错误操作。这绝对是打印机中的翘楚。它不会让你损坏它。

因为3D-Bioplotter 可靠并易于使用, 它还具有高度的可控性。斯蒂尔说, 你可以为每种材料定制所有的打印参数。

” 各个参数正如你对某种聚合物施加气压的方式一样, 因为取决于熔融聚合物的粘弹性, 它可能需要几秒钟的时间才实际开始流动, 当你消除了压力, 它可能会因为摩擦力的原因过几秒才停止流动。每一款材料都可量身设定独一无二的参数, 这是相当不错的。

“EnvisionTEC 有一个自动化的程序, 帮助您为很多的聚合物设置参数。当我们开发一个新的聚合物, 对它是如何打印的知之甚少时, 打印机可以轻而易举就帮助我们优化参数。

Rutgers-stucture-300x168-300x168  斯蒂尔还解释说, 许多聚合物随着时间的推移特别是在高温原因而降解 。因此, 他很欣赏 EnvisionTEC 技术可以跟踪一个特定的样本已经使用了多久, 并提醒操作员已过去了相当部分时间时,他们能够添加新的聚合物到墨盒中完成工作。

“我们在工作中密切关注这一点,因为我们知道在降解性和热稳定性之间存在着相互作用。我们对聚合物在高温下能维持多久保持着高度警惕,”斯蒂尔说。“EnvisionTEC软件技术让我们可以很简单地做到这一点,有效地防止用户在指定过期时间外打印。”

该公司还友好地提供给用户切片软件,从定制的CAD设计和/或医疗图像生成STL文件,并为打印做准备。斯蒂尔说,在大多数情况下,要打印的对象首先是按照外壳来定义的。由此,EnvisionTEC软件提供了创建一系列填充模式的简单选项,可以根据需要定制内部结构、刚度和内部与外部的孔隙度。

斯蒂尔说:“这种高度的控制以及在复杂几何中结合不同性能的材料的能力,使其又往打印复杂组织领域迈进了一步。”另一方面,“如果你要打印一个弯月面,而不是仅仅定义一个马蹄形的形状和使用一个自动填充物,我们实际上可以定义出每一个元素,以达到我们想要的几何形状和机械特性。如果每个元素的位置都很重要,您可以将其定义为详细级别。”

3D打印缓解日益增长的劳动力需求

教育和劳动力发展是NJCBM的一项新倡议。利用该中心丰富的科学知识以及州和联邦机构的资金支持,NJCBM正在制定生物制造和数字牙科劳动力培训方案,这两个方案都涉及到3D打印和生物打印的培训。

NJCBM公司的首席运营官Sangya Varma博士,NJCBM公司的首席运营官和劳动力发展方案负责人说,3D-Bioplotter设备的简单性和用户友好性意味着它是一个理想的工具,可以帮助教授新到该领域的学生,“我的希望是让3D生物制造教育民主化,”瓦尔马说。“学生们可以通过EnvisionTEC 3D-Bioplotter看到这种基于能力的课程的高端应用。”

要了解更多有关新泽西生物材料中心正在做的令人兴奋的工作

请访问WWW.NJBIOMATERIALS.ORG/

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