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從Review切入,多角度洞察生物3D打印前沿趨勢

科研前沿
2023
10/10
13:54
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來源: 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,,它為我們在模擬和復(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。這項看似神奇的科技,,體現(xiàn)了科研人員對生命科學(xué)無窮復(fù)雜性的獨特理解和探索,。近年來,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精確生物打印來解決健康問題的新時代,。

目前,全球每年有數(shù)以千萬計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,!實際上,,這種技術(shù)已經(jīng)逐漸從科幻小說中走入現(xiàn)實。研究人員正在探索和實踐使用3D打印技術(shù)制造個性化的生物替代品,,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因子和藥物,,助力恢復(fù)過程,。此外,隨著干細胞療法和基因工程技術(shù)等領(lǐng)域的進展,,我們對生物3D打印的認知和應(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,讓我們一起來深入探索這個富有無限可能且充滿創(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,,包括獨立的傳感器和自供電系統(tǒng),。更進一步,這些打印出的設(shè)備還能夠通過遠程連接與用戶進行通信,,極具潛力在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮作用,。該綜述回顧了過去十年來相關(guān)印刷技術(shù)的發(fā)展,以及它們在制造先進傳感平臺和分析診斷傳感器系統(tǒng)方面的多功能性,。同時,,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、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,并進一步激發(fā)對噴墨打印在未來發(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,主要通過擠出計算機輔助設(shè)計軟件預(yù)設(shè)的3D結(jié)構(gòu)的生物墨水來構(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DLP生物打印進行了簡要介紹,并進一步討論了具有各種生物墨水的DLP(生物)打印機的設(shè)計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;最后詳細介紹了DLP打印平臺的優(yōu)勢,、挑戰(zhàn)和前景,。


原文鏈接:https://doi.org/10.1002/agt2.270

文獻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,,在這項技術(shù)中,墨水被擠壓到液相中,,同時平移臺根據(jù)3D設(shè)計移動,,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),,以及實用性能,同時探討其未來的潛在應(yīng)用路徑,。


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

文獻4:3D打印軟骨,、骨和骨-軟骨組織工程進展

期刊及發(fā)表時間: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)域取得了重大進展,特別是其在軟骨,,骨骼和骨-軟骨再生方面的應(yīng)用,。對于轉(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)和未來前景。


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

文獻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。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)集成多個細胞而備受關(guān)注,,最近報道了生物打印CTE的許多進展,。本文回顧了CTE的生物3D打印的最新進展。在簡要概述了使用傳統(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),;最后還討論了幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn),并提出了對CTE領(lǐng)域3D生物打印技術(shù)的進一步發(fā)展要求,。


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

文獻6:3D打印納米顆粒的機制與應(yīng)用綜述

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

主要內(nèi)容:目前先進的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。一個有趣的現(xiàn)象是納米顆粒將傾向于平行于打印頭運動,,從而導(dǎo)致沿打印線的優(yōu)先定向從而增強了材料性能,。本文全面總結(jié)了在完善的和內(nèi)部定制的3D打印機制中實現(xiàn)3D打印的納米顆粒排列,這些機制可以導(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)和功能性能改進的致動器),。本綜述的重點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的觀點,。


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

文獻7:3D打印用于組織工程的光交聯(lián)結(jié)構(gòu)

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

主要內(nèi)容:在不同的3D打印平臺中,,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),,因為它們能夠以更高的空間分辨率,,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)材料的最新進展,,重點是其在修復(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)和未來方向。


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

文獻8:可穿戴(生物)傳感器3D打印技術(shù)的最新進展

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

主要內(nèi)容:通過新興3D打印技術(shù)驅(qū)動的可穿戴(生物)傳感器目前被認為是各種醫(yī)療保健應(yīng)用的下一代工具,,因為它們具有高拉伸性,、超柔韌性、低成本,、超薄和輕量等特性,。本文重點介紹了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。此外,,還總結(jié)了3D打印的過程以及主要技術(shù),,即光聚合、材料噴射和材料擠出,。除此之外,,作者還詳細介紹了許多3D打�,。ㄉ铮﹤鞲衅脚_,如葡萄糖傳感器,、乳酸傳感器,、汗液傳感器、應(yīng)變傳感器,、觸覺傳感器,、可穿戴血氧計、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9:纖維素納米晶水凝膠的設(shè)計與制備策略及其在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水凝膠提供增強的機械性能和設(shè)計功能,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)計原理開始,,以說明CNC本身或與周圍水凝膠骨架之間的相互作用。然后,,詳細介紹了被廣泛應(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發(fā)展方向。


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

文獻10:3D打印在傷口愈合中的應(yīng)用:干細胞和抗生素的外部遞送

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

主要內(nèi)容:干細胞因其豐富的來源,、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胞輸送系統(tǒng),,通過該技術(shù)產(chǎn)生的支架可以精確定位在細胞內(nèi)并執(zhí)行抗菌作用。本文主要綜述了3D打印在干細胞外遞送和抗生素兩個方面的應(yīng)用,它們對應(yīng)于皮膚再生的內(nèi)部和外部因素,,并重點介紹了使用新型傷口敷料改善皮膚傷口愈合的最新進展,。


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

結(jié)語
本文匯編了自2021年以來在生物3D打印領(lǐng)域的10篇重要文獻綜述,各自從獨特的視角展示了當(dāng)前研究的主要焦點,,主要包括不同3D打印技術(shù)在生物3D打印中的應(yīng)用(見文獻1,、2、3),、3D打印在各個生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的使用(見文獻4,、5、7,、9,、10)、關(guān)于3D打印納米粒子的綜合研究概覽(見文獻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(見文獻8),。

這些角度全面地概述了目前生物3D打印領(lǐng)域的先進研究趨勢和方向。通過技術(shù)的創(chuàng)新與進步,,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。它鼓勵我們不斷推動創(chuàng)新邊界,,探索自然的深層機制,,從而尋找解決復(fù)雜問題的新方法。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),、計算機科學(xué)等多領(lǐng)域的知識和技術(shù),,側(cè)面也強調(diào)了跨學(xué)科協(xié)作的重要性�,?偟膩砜矗�3D打印技術(shù)在未來組織工程領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椋?br />

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