3D生物打印是3D打印的一种特殊形式，在计算机的辅助下通过逐层沉积的方法将生物材料和细胞（生物墨水）打印成三维实体。3D生物打印的基本流程包括：利用x射线、计算机断层扫描(CT)、或磁共振成像(MRI)等医学影像技术采集原始数据；使用软件处理图像进行数字化建模；设计并设置打印指令后，生物打印机在计算机的控制下逐层沉积生物墨水。3D生物打印机对功能组件的准确放置以及对生物墨水的逐层定位，确保了打印出的模型能模拟自然组织器官的结构特征并实现生物功能化。
随着3D打印技术、细胞生物学和材料科学的不断发展进步，个性化植入物定制、仿生器官移植以及药物开发与生产等领域在发展中面临的困境，都将因为3D生物打印的介入而开启新的解决思路。日益成熟的3D生物打印技术已在制药领域用于构建体外模型和药物传递系统，筛选药物和改善给药途径，并且有望在再生医学领域填补移植组织器官的巨大缺口。
Allevi公司成立于2014年，一直专注于创建易于设计和重现3D组织的工具和解决方案。由Allevi打造的三款3D生物打印机已获得世界各地的数百个实验室认可，能应用于组织工程、器官芯片研究、药物发现验证、生物材料开发和再生医学等领域。
根据工作原理，3D生物打印通常可分为四个类型：喷墨型、挤压型、激光型和光固化型。其中，挤压型生物打印因其原理简单、经济实惠、过程可控和可预测、打印类型多样以及快速成形等优势而被广泛应用。Allevi生物打印机基于挤压技术，利用压缩空气动力系统驱动，从注射器中逐层沉积生物墨水，在打印过程中能轻易地实现快速开始和停止。Allevi生物打印机不仅可以使用高密度的细胞、高粘度和动态交联的生物墨水，还可以将加载了细胞的生物墨水挤压成连续的丝状，快速地打印出大规模的仿生结构。
小型桌面式3D生物打印机 |
桌面式3D生物打印机 |
多功能3D生物打印机 |
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| 喷嘴 (Extruders) | 1 × Allevi CORE | 2 × Fixed | 3 × Allevi CORE |
| 光固化 | LED – 365 and 405 nm | LED – 405 nm standard 365 nm optional |
LED – 365 and 405 nm |
| 可兼容注射器 | 5 mL plastic, 5 mL metal | 10 mL plastic, 10 mL metal | 5 mL plastic, 5 mL metal |
| 温度范围 | 4˚ C - 160˚ C | Room temperature - 160˚ C, 70˚ C ¹ | 4˚ C - 160˚ C |
| 压力范围 | 3 PSI - 100 PSI | 1 PSI - 120 PSI | 1 PSI - 120 PSI |
| 压力变化 | ±1 PSI | ±1 PSI | ±0.1 PSI |
| X, Y 轴精度 | 7.5 μm | 5 μm | 1 μm |
| Z 轴精度 | 1 μm | 1 μm | 1 μm |
| 建模体积 (W × H × D) | 3.5 × 2.4 × 5.1 in (42.8 in³) | 3.5 × 2.4 × 5.1 in (42.8 in³) | 3.5 × 2.4 × 5.1 in (42.8 in³) |
| 外形尺寸 (W × H × D) | 9 × 6 × 13 cm (702 cm³) | 9 × 6 × 13 cm (702 cm³) | 9 × 6 × 13 cm (702 cm³) |
| 尺寸 (W × H × D) | 30.0 × 28.3 × 27.5 cm | 31.3 × 31.1 × 30.8 cm | 46.7 × 38.8 × 36.0 cm |
| 重量 | 7.0 kg | 8.6 kg | 21.8 kg |
¹ 160˚ C on extruder 1 only.
Allevi 3D生物打印机可结合牺牲式生物打印、直接铸造、悬浮水凝胶自由可逆嵌入(FRESH)、多材料生物打印和同轴生物打印技术，为快速制造出复杂多样的组织结构提供可能。
牺牲式生物打印是在负载细胞的目标生物材料的周围搭建一个临时的支撑材料。打印完成后，目标生物墨水进行交联，使其结构更加牢固，而牺牲材料则被移除。该技术能支持打印复杂的3D几何形状，甚至在结构内部构建通道或空隙。
Pluronic 127是常用的牺牲支撑材料之一。这种合成共聚物在室温下形成凝胶，当冷却到4°C时会液化，并可以被洗脱。碳水化合物玻璃是用于挤压式生物打印的理想牺牲试墨水材料，可以在120°C下进行打印，并溶于异丙醇。使用牺牲式生物打印可以创建高度复杂的管状系统、可灌注系统以及器官芯片。
牺牲式生物打印可以与直接铸造技术结合使用。使用Pluronic或碳水化合物玻璃来打印的3D结构来作为铸造另一种材料的模具。Allevi生物打印机用来直接铸造，快速而准确地将目标生物墨水沉积在模具内。一旦生物材料成型，支撑材料就可以被移除。这既可以节省时间，也能使整个铸造过程更加自动化。
悬浮水凝胶自由形式可逆嵌入（FRESH）是一种用于打印复杂几何形状软组织的生物打印技术，也是使用粘度低或交联缓慢的生物墨水的合适的解决方案。这种方法是将生物墨水逐层叠加在由明胶微粒构成的支撑槽中，再加热到37°C融化支撑槽，从而得到一个完整的结构。这些结构的精细度可达20微米，活体细胞被嵌入其中也能保持细胞活力不下降。
复现自然组织的复杂性通常需要较多的细胞类型或生物墨水。Allevi 2和Allevi 3生物打印机配置了多个喷头，可以同时打印多种生物材料。Allevi生物打印软件可控制每个喷头的打印参数，确保喷头独立使用生物材料，在不同的压力下，以不同的速度进行打印。Allevi 3的自动校准功能还能有助于实现在同一型号中多种材料的正确配置，提供了多种复杂3D生物打印的可能性，包括打印热塑性支架或外壳，在同一个结构中集合多个细胞隔间，创建细胞或生物分子梯度，以及将导电材料集成到组织模型中。
同轴生物打印是使用同轴喷头将外层的水凝胶材料和内层的牺牲材料共同挤出，从而打印出所需的复杂生物结构的方法。Allevi生物打印机可安装使用同轴喷头，通过同一喷头挤出两到三种材料。当内层的牺牲材料被去除后，形成的中空通道作为后续培养的营养网络。同轴生物打印技术能够一步构造内置营养网络的仿生结构，在组织工程和器官重建等领域具有突出的优势。
生物墨水是一种或多种生物材料与水凝胶混合的溶液，通常还包括活细胞和/或生物活性分子。生物墨水在生物打印期间或之后立即交联化或稳定，以保证制造出预期组织结构的最终形状。理想的生物墨水应具有良好的交联性、力学、流变性等物理化学性质。来自Allevi的高标准生物墨水主要来源于人类和动物，不含会对组织活力和功能产生不良影响的粘滞剂，能够满足高标准研究的要求。这些生物墨水已经在学术界和组织工程行业中使用，被证明具有出色的生物效果。
| 细胞 | 生物墨水 | 添加剂 |
|---|---|---|
| Human Hepatocytes | Collagen Lifeink® 200 | Allevi Liver DECM |
| Methacrylated Hyaluronic Acid | LAP Photoinitiator | |
| Methacrylated Collagen | Ruthenium | |
| PureCol® Type 1 Bovine Collagen | ||
| Gelatin Methacrylate | ||
| Gelatin Methacrylate Solution - Sterile | ||
| Thiolated Hyaluronan |
