從Review切入,，多角度洞察生物3D打印前沿趨勢(shì)

來(lái)源： EngineeringForLife

"生物墨水",，一種在3D打印領(lǐng)域正在嶄露頭角的科技工具,，它為我們?cè)谀�擬和復(fù)制特定的生物組織結(jié)構(gòu)方面提供了前所未有的可能性。這項(xiàng)看似神奇的科技,，體現(xiàn)了科研人員對(duì)生命科學(xué)無(wú)窮復(fù)雜性的獨(dú)特理解和探索,。近年來(lái)，生物3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用和深入研究,，標(biāo)志著我們正逐步走向通過(guò)精確生物打印來(lái)解決健康問(wèn)題的新時(shí)代,。

目前，全球每年有數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的人因病體組織損傷或喪失而尋求恢復(fù)和重建,。試想一下,，如果我們可以通過(guò)3D打印技術(shù)精確"打印"出匹配患者組織結(jié)構(gòu)的生物替代品，那么這是多么令人振奮的前景,！實(shí)際上,，這種技術(shù)已經(jīng)逐漸從科幻小說(shuō)中走入現(xiàn)實(shí)。研究人員正在探索和實(shí)踐使用3D打印技術(shù)制造個(gè)性化的生物替代品,，這些替代品可以與患者的身體完美匹配,，有助于快速恢復(fù)和重建健康。生物材料科學(xué)領(lǐng)域的突破,，如生物活性水凝膠、生物陶瓷,、生物兼容性高分子等,，為生物3D打印提供了豐富的"墨水"選擇。這些材料不僅能夠滿足復(fù)雜的生物打印需求,，還能夠攜帶并逐步釋放生長(zhǎng)因子和藥物,，助力恢復(fù)過(guò)程。此外,，隨著干細(xì)胞療法和基因工程技術(shù)等領(lǐng)域的進(jìn)展,，我們對(duì)生物3D打印的認(rèn)知和應(yīng)用也將得到更深層次的拓展。

本期EFL為大家整理了近兩年關(guān)于生物3D打印的10篇高質(zhì)量綜述,，讓我們一起來(lái)深入探索這個(gè)富有無(wú)限可能且充滿創(chuàng)新成果的領(lǐng)域,，并全面了解目前生物3D打印的最新材料和技術(shù)發(fā)展吧！

文獻(xiàn)1：用于生物傳感,、分析和診斷的噴墨打印和3D打印策略

期刊及發(fā)表時(shí)間：Advanced Materials (IF 29.4) 2022-06-17

主要內(nèi)容：噴墨打印和3D噴墨打印在各種設(shè)備制造中有著廣泛應(yīng)用,。這些技術(shù)能夠創(chuàng)造復(fù)雜的材料和設(shè)備，包括獨(dú)立的傳感器和自供電系統(tǒng),。更進(jìn)一步,，這些打印出的設(shè)備還能夠通過(guò)遠(yuǎn)程連接與用戶進(jìn)行通信，極具潛力在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮作用,。該綜述回顧了過(guò)去十年來(lái)相關(guān)印刷技術(shù)的發(fā)展,，以及它們?cè)谥圃煜冗M(jìn)傳感平臺(tái)和分析診斷傳感器系統(tǒng)方面的多功能性,。同時(shí)，全面展示了將噴墨和3D噴墨打印技術(shù)整合到設(shè)備設(shè)計(jì),、制造,、定量和分析應(yīng)用中的示例，證明這些技術(shù)的多功能性,，并進(jìn)一步激發(fā)對(duì)噴墨打印在未來(lái)發(fā)展中應(yīng)用的探索和想象,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202105015

文獻(xiàn)2：用于組織建模和再生的數(shù)字光處理（DLP）的（生物）打印策略

期刊及發(fā)表時(shí)間：Aggregate (IF 18.8) 2022-10-03

主要內(nèi)容：生物3D打印能精確制造各種3D高分辨率物體，廣泛用于創(chuàng)建模擬人體微生理環(huán)境的3D組織模型,。其中,，基于擠出的生物3D打印最為常用，主要通過(guò)擠出計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件預(yù)設(shè)的3D結(jié)構(gòu)的生物墨水來(lái)構(gòu)建組織,。然而,，基于數(shù)字光處理(DLP)的3D生物打印技術(shù)可以通過(guò)使用各種光源，將液態(tài)聚合物材料轉(zhuǎn)化為高分辨率,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)3D結(jié)構(gòu),。本文對(duì)DLP生物打印進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并進(jìn)一步討論了具有各種生物墨水的DLP（生物）打印機(jī)的設(shè)計(jì)和制造及其在藥物篩選,、疾病建模,、組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)方面的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用；最后詳細(xì)介紹了DLP打印平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),、挑戰(zhàn)和前景,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/agt2.270

文獻(xiàn)3：用于自由形式制造軟物質(zhì)的LL3DP打印技術(shù)

期刊及發(fā)表時(shí)間：Small (IF 13.3) 2023-01-20

主要內(nèi)容：軟物質(zhì)3D打印中，液-液3D打印(LL3DP)方法已經(jīng)成為一類新的3D打印技術(shù),。LL3DP方法屬于基于油墨的3D打印,，在這項(xiàng)技術(shù)中，墨水被擠壓到液相中,，同時(shí)平移臺(tái)根據(jù)3D設(shè)計(jì)移動(dòng),，將軟材料塑造成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在液相中擠壓油墨可確保形狀保真度,、結(jié)構(gòu)完整性和最終結(jié)構(gòu)的必要特征分辨率,。本文將回顧這種新型LL3DP打印技術(shù)的研究，包括其基本原理,、潛在機(jī)制,、用于確保打印結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的各種表征技術(shù)，以及實(shí)用性能,，同時(shí)探討其未來(lái)的潛在應(yīng)用路徑,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202206524

文獻(xiàn)4：3D打印軟骨、骨和骨-軟骨組織工程進(jìn)展

期刊及發(fā)表時(shí)間：Small (IF 13.3) 2022-06-17

主要內(nèi)容：組織工程旨在產(chǎn)生功能性替代品，以恢復(fù)或替換因損傷或疾病受損的組織,。3D打印是一種增材制造技術(shù),，通過(guò)制造具有精確控制的成分，空間分布和結(jié)構(gòu)的仿生組織結(jié)構(gòu),，可用于制造組織工程替代物,。3D打印活組織的臨床轉(zhuǎn)化在該領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，特別是其在軟骨,，骨骼和骨-軟骨再生方面的應(yīng)用,。對(duì)于轉(zhuǎn)化組織工程，具有臨床相關(guān)大小,、結(jié)構(gòu)和分層組織的3D組織構(gòu)建體的再生仍然具有挑戰(zhàn)性,。本文概述了最近開發(fā)的用于臨床轉(zhuǎn)化的3D打印技術(shù)，并總結(jié)了這些方法在軟骨,，骨骼和骨-軟骨組織再生中的應(yīng)用,。還討論了3D打印技術(shù)的當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來(lái)前景。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202201869

文獻(xiàn)5：3D生物打印在心臟組織工程中的應(yīng)用

期刊及發(fā)表時(shí)間：Theranostics (IF 12.4) 2021-11-16

主要內(nèi)容：就發(fā)病率和死亡率而言,，心血管疾病是全世界非常普遍的疾病,。由于心肌死亡是不可逆的，因此挽救心肌缺陷仍然是一項(xiàng)重大的臨床挑戰(zhàn),。心臟組織工程(CTE)是一種很有前途的修復(fù)心臟缺陷的方法,，為心臟組織的研究提供了平臺(tái)。生物3D打印因其能夠在具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的打印支架內(nèi)集成多個(gè)細(xì)胞而備受關(guān)注,，最近報(bào)道了生物打印CTE的許多進(jìn)展,。本文回顧了CTE的生物3D打印的最新進(jìn)展。在簡(jiǎn)要概述了使用傳統(tǒng)方法的CTE之后,，討論了當(dāng)前的3D打印策略，介紹了基于各種生物材料的生物墨水配方,，并進(jìn)一步討論了利用復(fù)合生物墨水的策略,；此外，作者還總結(jié)了幾種應(yīng)用,，包括心臟貼片,、組織工程心肌和通過(guò)3D生物打印創(chuàng)建的其他仿生結(jié)構(gòu)；最后還討論了幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn),，并提出了對(duì)CTE領(lǐng)域3D生物打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展要求,。

原文鏈接：https://www.thno.org/v11p7948.htm

文獻(xiàn)6：3D打印納米顆粒的機(jī)制與應(yīng)用綜述

期刊及發(fā)表時(shí)間：Small (IF 13.3) 2021-06-27

主要內(nèi)容：目前先進(jìn)的3D打印主要專注于材料的可制造性和工程應(yīng)用，但依然存在打印分辨率和加工率低的瓶頸,，特別是當(dāng)納米材料需要定制為不同規(guī)模時(shí),。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是納米顆粒將傾向于平行于打印頭運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致沿打印線的優(yōu)先定向從而增強(qiáng)了材料性能。本文全面總結(jié)了在完善的和內(nèi)部定制的3D打印機(jī)制中實(shí)現(xiàn)3D打印的納米顆粒排列,，這些機(jī)制可以導(dǎo)致納米顆粒的選擇性沉積和優(yōu)先定向,。隨后，列出了利用有序納米顆粒特性的典型應(yīng)用（例如,，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,，熱導(dǎo)體，化學(xué)電阻傳感器,，工程表面,，組織支架和基于結(jié)構(gòu)和功能性能改進(jìn)的致動(dòng)器）。本綜述的重點(diǎn)是顆粒取向方法和包含取向納米顆粒的復(fù)合材料的性能,。最后,，確定了當(dāng)前3D打印技術(shù)的重大局限性以及未來(lái)的觀點(diǎn)。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202100817

文獻(xiàn)7：3D打印用于組織工程的光交聯(lián)結(jié)構(gòu)

期刊及發(fā)表時(shí)間：Biomaterials (IF 14.0) 2022-05-10

主要內(nèi)容：在不同的3D打印平臺(tái)中,，基于光交聯(lián)的3D打印技術(shù)（如數(shù)字光處理和立體光刻）已成為最受歡迎的技術(shù),，因?yàn)樗鼈兡軌蛞愿�高的空間分辨率，可靠的圖案保真度和高打印速度構(gòu)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu),。本文綜述了用于3D打印的光交聯(lián)材料的最新進(jìn)展,，重點(diǎn)是其在修復(fù)受損器官和開發(fā)體外組織模型方面的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。首先,，概述了常用的光交聯(lián)材料,，以及如何改善這些材料的印刷效果。然后,，總結(jié)了光聚合過(guò)程的多樣化調(diào)控策略和3D打印參數(shù),，以提高打印結(jié)構(gòu)的性能。最后從基于光交聯(lián)的3D打印的技術(shù)和應(yīng)用角度討論了現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和未來(lái)方向,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121566

文獻(xiàn)8：可穿戴（生物）傳感器3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展

期刊及發(fā)表時(shí)間：Additive Manufacturing (IF 11.0) 2021-05-28

主要內(nèi)容：通過(guò)新興3D打印技術(shù)驅(qū)動(dòng)的可穿戴（生物）傳感器目前被認(rèn)為是各種醫(yī)療保健應(yīng)用的下一代工具,，因?yàn)樗鼈兙哂懈呃�伸性、超柔韌性,、低成本,、超薄和輕量等特性。本文重點(diǎn)介紹了3D打印技術(shù)在使用可打印的軟質(zhì)功能材料開發(fā)可穿戴應(yīng)用的新型3D結(jié)構(gòu)方面的貢獻(xiàn),。此外,，還總結(jié)了3D打印的過(guò)程以及主要技術(shù)，即光聚合,、材料噴射和材料擠出,。除此之外，作者還詳細(xì)介紹了許多3D打�,。ㄉ�物）傳感平臺(tái),，如葡萄糖傳感器、乳酸傳感器、汗液傳感器,、應(yīng)變傳感器,、觸覺(jué)傳感器、可穿戴血氧計(jì),、智能繃帶,、人造皮膚、紋身傳感器,、腦電圖（EEG）,、心電圖（ECG）傳感器等。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102088

文獻(xiàn)9：纖維素納米晶水凝膠的設(shè)計(jì)與制備策略及其在3D打印中的應(yīng)用綜述

期刊及發(fā)表時(shí)間：Carbohydrate Polymers (IF 11.2) 2022-11-17

主要內(nèi)容：為了消除使用合成聚合物制備的水凝膠的潛在毒性和生物不相容性,，研究人員傾向于使用生物聚合物設(shè)計(jì)水凝膠,。在生物聚合物中，纖維素納米晶（CNCs）因其晶須納米結(jié)構(gòu),、高軸向剛度,、高拉伸強(qiáng)度和豐富的羥基而引起了研究者更多的興趣。CNC可以為3D水凝膠提供增強(qiáng)的機(jī)械性能和設(shè)計(jì)功能,，因此,，基于CNC的復(fù)合水凝膠在生物醫(yī)學(xué)，組織工程,，致動(dòng)器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,。本綜述從“僅CNC”水凝膠和基于CNC的水凝膠的設(shè)計(jì)原理開始，以說(shuō)明CNC本身或與周圍水凝膠骨架之間的相互作用,。然后,，詳細(xì)介紹了被廣泛應(yīng)用的基于擠出的3D打印技術(shù)，用于制備和成型CNC基復(fù)合水凝膠,，然后簡(jiǎn)要回顧了3D打印CNC基水凝膠在不同領(lǐng)域的應(yīng)用,。最后，討論了CNC基水凝膠的局限性和未來(lái)發(fā)展方向,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120351

文獻(xiàn)10：3D打印在傷口愈合中的應(yīng)用：干細(xì)胞和抗生素的外部遞送

期刊及發(fā)表時(shí)間：Advanced Drug Delivery Reviews (IF 16.1) 2023-04-15

主要內(nèi)容：干細(xì)胞因其豐富的來(lái)源,、多向分化能力和高增殖率而成為有前途的組織工程種子細(xì)胞。然而,，將它們體外用于治療皮膚損傷仍然具有挑戰(zhàn)性。生物3D打印極大地豐富了細(xì)胞輸送系統(tǒng),，通過(guò)該技術(shù)產(chǎn)生的支架可以精確定位在細(xì)胞內(nèi)并執(zhí)行抗菌作用,。本文主要綜述了3D打印在干細(xì)胞外遞送和抗生素兩個(gè)方面的應(yīng)用，它們對(duì)應(yīng)于皮膚再生的內(nèi)部和外部因素,，并重點(diǎn)介紹了使用新型傷口敷料改善皮膚傷口愈合的最新進(jìn)展,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addr.2023.114823

結(jié)語(yǔ)
本文匯編了自2021年以來(lái)在生物3D打印領(lǐng)域的10篇重要文獻(xiàn)綜述，各自從獨(dú)特的視角展示了當(dāng)前研究的主要焦點(diǎn)，主要包括不同3D打印技術(shù)在生物3D打印中的應(yīng)用（見(jiàn)文獻(xiàn)1,、2,、3）、3D打印在各個(gè)生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的使用（見(jiàn)文獻(xiàn)4,、5,、7、9,、10）,、關(guān)于3D打印納米粒子的綜合研究概覽（見(jiàn)文獻(xiàn)6），以及3D打印用于制造柔性可穿戴設(shè)備的相關(guān)研究綜述（見(jiàn)文獻(xiàn)8）,。

這些角度全面地概述了目前生物3D打印領(lǐng)域的先進(jìn)研究趨勢(shì)和方向,。通過(guò)技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步，我們可以在原本受到自然界限制的領(lǐng)域中突破框架,，模擬并優(yōu)化生命現(xiàn)象,。它鼓勵(lì)我們不斷推動(dòng)創(chuàng)新邊界，探索自然的深層機(jī)制,，從而尋找解決復(fù)雜問(wèn)題的新方法,。此外，成功的生物3D打印需要材料科學(xué),、生物學(xué),、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù),，側(cè)面也強(qiáng)調(diào)了跨學(xué)科協(xié)作的重要性,。總的來(lái)看,，3D打印技術(shù)在未來(lái)組織工程領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椋?br />