三维生物打印在牙周组织再生应用中的研究进展

牙周炎是一种常见的口腔疾病,常导致牙周组织的破坏。传统的牙周组织再生治疗方法在实现最佳效果方面存在局限性。近年来,三维生物打印作为一种有前景的再生医学技术,在多个领域广泛使用,其高精度高效率的特点在牙周组织可控性重建中展现出了巨大的潜力。本文综述了三维生物打印技术在牙周组织再生应用方面的研究进展,并对其未来发展趋势进行展望,以期促进其在临床上的应用。

三维生物打印在牙周组织工程的研究进展及展望

牙周炎是一种慢性炎症性疾病,导致牙周组织尤其是骨组织的破坏,是成年人失牙的首位原因。三维生物打印作为21世纪初的新兴技术,包裹细胞的生物墨水可通过模拟发育过程中组织的自组装促进再生,在组织工程中的应用前景巨大。3D打印技术带来了牙周再生方法的重大创新,三维打印不仅可以打印生物相容性膜和支架,还可以打印复杂3D功能组织中的活细胞和支持部件。本文综述了牙周再生领域相关的种子细胞、生长因子、生物支架,讨论了其目前面临的挑战,同时对其在牙周再生领域的应用进行了展望。

基于微流控三维生物打印技术的多层级微血管网络的构建

目的在体外构建多层级的微血管网络对再生医学和组织工程领域至关重要,也可在构建功能性类器官官、疾病建模、个性化医学等领域发挥作用。三维生物打印技术为在体外组织内构建高精度且排列有序的三维血管网络,精确沉积细胞和材料方面提供了可能。然而,目前通过三维生物打印技术构建的血管网络存在精度低且较难实现多层级结构等问题。为此,开发一种微流控三维生物打印技术尝试在体外构建多层级的微血管网络。方法首先,基于同轴微流控三维生物打印技术。

三维生物打印结合海藻酸钠和纤维蛋白原构建仿生尿道修复补片的实验研究

目的将三维(3D)生物打印技术应用于尿道修复补片的构建,并评估其力学性能、细胞活力和临床应用可行性。方法以兔尿道组织和脱细胞基质作为模板,分离兔尿道成纤维细胞,应用3D生物打印技术结合海藻酸钠和纤维蛋白原水凝胶共同制备两种负载兔成纤维细胞的仿生尿道修复补片:仿生尿道修复补片1(单纯海藻酸钠水凝胶构建的尿道补片)和仿生尿道修复补片2(在海藻酸钠水凝胶基础上使用纤维蛋白原水凝胶构建的尿道补片)。通过生物降解实验和生物力学测试分别评估仿生尿道修复补片1的生物降解性和力学性能。通过细胞活性染色,观察并计算0、3、6 d仿生尿道修复补片1和2内细胞的存活率。通过Cell Counting Kit-8(CCK-8)实验检测仿生尿道修复补片2内纤维蛋白原水凝胶中细胞的扩增速率,以分光光度计吸光度(A值)表示。结果生物降解实验结果显示,仿生尿道修复补片1在Ⅱ型胶原酶溶液和灭菌水中均有明显的降解,10 d内其在Ⅱ型胶原酶溶液中的降解速率显著快于在灭菌水中,10～20 d时的降解速率较在灭菌水中平稳,>20～<30 d时与在灭菌水中同步,30 d时其在两种溶液中的降解率均接近50%。生物力学测试结果显示,仿生尿道修复补片1的力学性能表现为线性增加,最大牵拉强度为6 N。细胞活性染色结果显示,仿生尿道修复补片1内的细胞为点状分布,无明显的舒展,细胞死亡率较高,细胞在培养0、3、6 d的存活率分别为62.91%±3.39%、41.92%±8.86%和57.11%±6.12%;仿生尿道修复补片2内细胞形态舒展,死亡率较低,在培养第6天时即有明显的细胞扩增,细胞在培养0、3、6 d的存活率分别为95.12%±1.37%、79.46%±4.77%和84.70%±8.62%。CCK-8实验结果显示,仿生尿道修复补片2内纤维蛋白原水凝胶中的细胞,在培养1、4、7、10、15 d的扩增率的A值分别为0.012 752 083、0.131 895 833、0.208 958 333、0.430 608 333、0.623 875 000,有明显的扩增表现。结论生物打印技术能够制备力学性能充足、细胞活性良好的3D立体尿道结构,证实了生物打印技术在尿道修复领域应用的可行性,为生物打印尿道的体内研究奠定了研究基础。

三维生物打印技术在牙再生中的研究进展

利用组织工程的方法实现牙及其支持组织再生是近年来的研究热点,三维生物打印技术具有个性化、高精度及低损耗等优势,作为三维生物打印基础材料的生物墨水可直接搭载细胞和生长因子,为组织工程牙再生提供了新的思路。本文从三维生物打印技术的原理及分类、用于牙相关结构三维生物打印的细胞、材料和生长因子以及三维生物打印技术在牙再生中的应用等方面进行综述。

骨骼肌再生三维生物打印技术的最新趋势

骨骼肌是一种促再生组织,可以利用组织常驻干细胞系统影响损伤修复。尽管该系统在许多急性损伤后可有效恢复肌肉质量,但在严重创伤的情况下,如大体积肌肉缺失(>20%肌肉总量)时,这种自我修复能力无法恢复组织结构,目前主要通过外科手术干预。利用组织工程方法生成人工肌肉作为一种可能的替代方法,在治疗大体积肌肉缺失和肌肉疾病(如营养不良)方面也很重要。三维生物打印被认为是一种有前景的再生骨骼肌复杂结构的技术。该文就现有的肌肉损伤后的治疗策略、生物打印技术的最新进展、用于肌肉再生的生物墨水、支架材料的免疫原性以及三维生物打印肌肉的体内外成熟技术进行回顾。文中还重点介绍了这些生物墨水配方的优点和不足,并提出了目前该领域的局限性和面临的挑战,以及使生物打印方法更具有可转化性和生产临床相关工程肌肉的关键因素。

基于生物三维打印的体外药筛模型构建

以生物三维打印技术为基础,构建了一种体外三维模型药物筛选模型,并采用双向温控喷头挤出式的打印方式完成模型打印,将构成血脑屏障的两种细胞与天然水凝胶混合后层层打印,从而得到体外药筛模型。通过检测模型的弹性模量、微观结构及细胞特异性蛋白的表达,在功能上与空白对照组及二维细胞组进行对比。结果表明,相较于空白组及二维细胞培养组,打印完成的体外药筛模型弹性模量稳定,内部形成适合细胞生长的多孔结构,证明具有较好的生物相容性与结构稳定性,对于胰岛素分子的筛选中有着显著优势。

基于三维生物打印技术的皮肤组织工程研究进展

组织工程皮肤开发的主要目的是恢复皮肤受损严重患者的皮肤屏障功能, 目前该类产品已成为临床上皮肤移植的理想替代物。随着三维生物打印技术的不断发展, 构建的包含皮肤附属物等复杂结构的三维皮肤模型也日趋成熟。稳定的三维皮肤模型在皮肤生理病理研究、化妆品安全性及有效性评估, 以及替代动物实验等方面具有广泛应用。该文针对三维生物打印技术进行了分类介绍, 总结了常用于皮肤模型构建的生物墨水种类, 综述了近年来三维生物打印技术在皮肤组织工程领域的应用研究进展, 并对其未来研究发展方向和应用领域进行了探讨和展望。

光学相干层析成像技术用于三维生物打印水凝胶支架结构的定量评价研究

三维生物打印水凝胶支架内部结构的无损检测分析,对组织工程支架设计制造和生物功能实现具有重要意义。提出用扫频光学相干层析成像技术(SS-OCT)对三维生物打印的水凝胶支架进行无损成像和定量分析。设计和打印了4种代表性结构的三维水凝胶支架。用高分辨SS-OCT成像系统重建并揭示了支架内部三维结构,识别出打印支架与设计结构的差异以及孔融合、孔变形、通道堵塞等打印缺陷。基于阈值分割和形态操作的自动分析算法,定量表征了支架的孔隙大小及分布、实体支撑尺寸、孔隙率和三维连通性等结构参数。研究证明,OCT技术可以为三维生物打印水凝胶支架的优化设计、过程控制、功能分析提供有力工具。

胶原蛋白在三维生物打印中的应用研究进展

三维生物打印技术具有精度高、可控性强的特性，在医疗临床和实验领域更是发展迅速。而胶原蛋白广泛存在于动物的皮肤、骨、肌腱等组织中，是具有良好生物学特性的材料，尤其在组织工程领域中应用广泛。目前，三维生物打印研究常常需要应用胶原蛋白作为其生物“墨水”主要成分，为此，笔者做一综述阐述目前胶原蛋白在二三维生物打印中的应用研究进展。

含人脂肪来源蛋白复合物的三维生物打印墨水的创面修复效应初探

目的探讨人脂肪来源蛋白复合物(ADPC)对人皮肤成纤维细胞(HSF)和人脐静脉内皮细胞(HUVEC)增殖和迁移能力的影响,以及含ADPC的三维生物打印墨水(Bioink)在裸鼠全层皮肤缺损创面中的修复效应。方法采用实验研究方法。收集解放军总医院2020年10月—2021年3月收治的3例行腹部皮瓣转移修补术的女性慢性创面患者(年龄29~34岁)的废弃皮下脂肪组织和同期收治的3名行腹部抽脂术的健康女性(年龄24~36岁)的废弃抽脂术脂肪组织,分别制备正常ADPC(nADPC)及抽脂术ADPC(lADPC)。采用二辛丁酸法测定2种ADPC的蛋白浓度,计算2种ADPC的提取效率,样本数均为3。取对数生长期HSF和HUVEC进行后续实验。取2种细胞均按随机数字表法(分组方法下同)分为磷酸盐缓冲液(PBS)对照组、4μg/mL nADPC组、20μg/mL nADPC组、100μg/mL nADPC组和200μg/mL nADPC组,每组5孔。PBS对照组细胞采用PBS培养,余4组分别采用含相应终质量浓度的nADPC培养。常规培养24 h,采用细胞计数试剂盒8法检测细胞增殖活力。取HSF和HUVEC,分为PBS对照组、单纯nADPC组、单纯lADPC组、单纯肿瘤坏死因子α(TNF-α)组、TNF-α+nADPC组、TNF-α+lADPC组。PBS对照组与单纯TNF-α组细胞分别加入PBS,单纯nADPC组、单纯lADPC组、TNF-α+nADPC组及TNF-α+lADPC组中分别加入终质量浓度100μg/mL的nADPC或lADPC,单纯TNF-α组、TNF-α+nADPC组及TNF-α+lADPC组再加入终质量浓度20 ng/mL的TNF-α。进行细胞划痕试验后计算划痕后24 h细胞迁移率(样本数为3),同前检测培养24 h细胞增殖活力(样本数为5)。取明胶-海藻酸钠复合Bioink(Bioink AG),制备含100μg/mL lADPC的Bioink AG(lADPC-Bioink AG),观察二者在室温下及冷凝后的形态和三维生物打印且交联后的形态,采用流变仪检测流变性能时记录低温成胶时间(样本数为3)。取20只8~10周龄雌性BALB/c-NU裸鼠,建立背部全层皮肤缺损创面模型后,分为常规换药组、单纯lADPC组、单纯Bioink AG组和lADPC-Bioink AG组,每组5只。常规换药组裸鼠创面仅覆盖水胶体敷料和常规换药,其余3组裸鼠创面另予相应lADPC、Bioink AG、lADPC-Bioink AG处理。从治疗0 d起,行大体观察,计算治疗2、6、10 d的创面愈合率。治疗10 d,采用苏木精-伊红染色行创面组织病理学观察。对数据行独立样本t检验、单因素方差分析、重复测量方差分析、SNK-q检验及LSD-t检验。结果lADPC的蛋白浓度、提取效率分别为(1.306±0.011)mg/mL、(11.1±1.5)%,明显低于nADPC的(2.039±0.042)mg/mL、(22.2±2.0)%(t=23.83、6.38,P<0.05或P<0.01)。培养24 h,与PBS对照组比较,100μg/mL nADPC组和200μg/mL nADPC组HSF(q=6.943、6.375,P<0.01)和HUVEC(q=6.301、6.496,P<0.01)增殖活力均明显下降;与100μg/mL nADPC组比较,200μg/mL nADPC组HSF和HUVEC增殖活力无明显变化(P>0.05)。划痕后24 h,与PBS对照组比较,单纯nADPC组、单纯lADPC组、单纯TNF-α组HSF和HUVEC迁移率均明显降低(q=5.642、6.645、11.480,4.772、6.298、10.420,P<0.05或P<0.01);与单纯nADPC组比较,单纯lADPC组HSF和HUVEC迁移率无明显变化(P>0.05);与单纯TNF-α组比较,TNF-α+nADPC组、TNF-α+lADPC组HSF迁移率无明显变化(P>0.05),HUVEC迁移率均明显升高(q=8.585、7.253,P<0.01);与TNF-α+nADPC组比较,TNF-α+lADPC组HSF和HUVEC迁移率无明显变化(P>0.05)。培养24 h,与PBS对照组比较,单纯nADPC组、单纯lADPC组、单纯TNF-α组HSF和HUVEC增殖活力均明显降低(q=5.803、5.371、9.136,11.580、9.493、13.510,P<0.05或P<0.01);与单纯nADPC组比较,单纯lADPC组HSF和HUVEC增殖活力均无明显变化(P>0.05);与单纯TNF-α组比较,TNF-α+nADPC组、TNF-α+lADPC组HSF(q=14.990、10.850,P<0.01)和HUVEC(q=7.066、8.942,P<0.01)增殖活力均明显升高;与TNF-α+nADPC组比较,TNF-α+lADPC组HSF和HUVEC增殖活力均无明显变化(P>0.05)。室温及冷凝状态下,lADPC-Bioink AG比Bioink AG外观稍显浑浊;三维生物打印且交联后lADPC-Bioink AG与Bioink AG形态类似。在10℃时,lADPC-Bioink AG的凝固时间为(76.6±0.4)s,明显慢于Bioink AG的(74.4±0.6)s(t=4.64,P<0.01)。治疗2 d,常规换药组裸鼠创面渗出较多,其余3组无明显渗出;治疗8 d,lADPC-Bioink AG组裸鼠残余创面面积最小,有明显上皮覆盖。治疗2 d,lADPC-Bioink AG组裸鼠创面愈合率明显高于单纯lADPC组(t=3.59,P<0.05),与常规换药组、单纯Bioink AG组相近(P>0.05);治疗6 d,lADPC-Bioink AG组裸鼠创面愈合率明显高于常规换药组、单纯lADPC组、单纯Bioink AG组(t=18.70、15.70、3.15,P<0.05或P<0.01);治疗10 d,lADPC-Bioink AG组裸鼠创面愈合率明显高于常规换药组、单纯lADPC组(t=12.51、4.84,P<0.01),与单纯Bioink AG组相近(P>0.05)。治疗10 d,lADPC-Bioink AG组裸鼠创面组织血管化程度适中,上皮化充分,愈合效果最好。结论抽脂术相关操作会降低ADPC蛋白浓度、提取效率等表征,但lADPC与nADPC具有相同的生物学作用,可在非炎症环境中抑制HSF与HUVEC的增殖与迁移能力,在炎症环境中提高HSF与HUVEC的增殖活力,同时提高HUVEC的迁移能力;将lADPC加入Bioink AG中后,不会明显影响Bioink AG的物理性质及打印性能,并可以提升裸鼠全层皮肤缺损创面的修复效果。

三维生物打印微环境诱导汗腺再生的研究

人体皮肤表面有数以百万计的汗腺，发汗是调节体温的主要方式。汗腺细胞分泌的汗液除含大量水分外，还含有乳酸盐、尿素、钠、钾、抗菌肽和分泌型IgA等物质，在保持皮肤湿润和维持皮肤防御功能方面有重要作用。此外，汗腺细胞还对创面愈合具有重要作用，有研究表明创缘汗腺细胞参与了创面的上皮化进程[1]。但汗腺受损后自身再生能力十分有限，在皮肤遭受全层大面积创伤时，由于瘢痕增生不能再生汗腺，将导致患者排汗功能障碍，严重影响患者生活质量，甚至危及患者生命[2]。近年来在全层皮肤再生的多项研究中，毛囊和皮脂腺均已实现再生，但是汗腺再生并未实现[3,4]。因此，研究汗腺再生对于创伤后皮肤功能性修复具有重大科学意义。

三维生物打印在皮肤组织工程中的应用研究进展

由于烧创伤和手术等各种原因造成的皮肤深度创面十分常见，尤其是大面积深度烧伤患者，在早期清创后需要快速闭合创面以降低感染风险。目前，大面积深度烧伤创面的首选治疗方式是自体皮肤移植。然而，自体皮肤缺乏是治疗这类患者时面临的主要难题。组织工程皮肤（TES）或皮肤替代物在一定程度上可以解决这一问题。传统的TES制备方法包括冷冻干燥、静电纺丝、人工沉积等等；但因其涉及保存、运输及其他多方面技术问题，目前尚无法完全满足临床应用需求。

三维生物打印在烧伤整形领域中的应用进展

1三维打印 三维打印是一种快速成型技术，又称增材制造或增量制造，基本原理是以三维数字模型为基础，运用塑料或粉末状金属等可黏合性材料，通过逐层打印的方式来制造物体。目前，三维打印技术主要有光固化立体印刷、熔炉沉积制造、选择性激光烧结／熔化以及三维喷印等。三维打印的材料多样，包括传统的聚乳酸、石膏、金属、橡胶类等工艺材料，以及用于组织工程的水凝胶、胶原蛋白、壳聚糖等生物材料。

水凝胶在三维生物打印中的应用研究进展

水凝胶因其三维网络结构能模拟自然组织，在三维生物打印中能满足形态学要求并较好地支持细胞增殖，引起了广泛关注。近年来，通过控制水凝胶形状、多孔性、表面形态、大小等参数，水凝胶在三维生物打印领域取得了一系列进展，但在实际打印中仍然存在诸多难题。笔者就各类水凝胶应用于三维生物打印的具体实践展开综述。

三维生物打印在泌尿系统修复重建中的应用及展望

三维(3D)生物打印是近年来新兴的一项生物组织工程学技术,其发展有利于解决目前临床组织器官修复的问题。本文就3D生物打印和泌尿系统修复重建的临床与研究现状进行回顾,并展望3D生物打印应用于泌尿系统修复重建中的可行性与临床价值。

利用生物三维打印技术修复软骨损伤的研究进展

软骨组织因缺乏血供,自我修复能力极其有限,导致软骨损伤后难以再生修复。生物三维打印技术突破了传统组织工程技术仿生功能设计的局限性,可一体化成型并精确制备复杂结构,还可以将细胞打印于支架材料中,构建适合细胞生存的微环境,在软骨修复和再生领域具有优势。本文对生物三维打印技术修复软骨的研究进展进行综述。

生物三维打印机硬件控制系统研究

提出了一种生物三维打印机硬件控制方法,并基于ATmega2560芯片实现了生物三维打印机的控制.研究了打印原理及成型工艺,采用Altium Designer软件绘制了控制系统的硬件电路,包括控制电路的主控单元、运动控制单元、喷头控制单元、加热控制单元、限位开关控制单元、USB数据传输单元等,绘制PCB板并完成硬件电路的焊接及调试工作,提高了生物三维打印精度.

三维生物打印在口腔软组织组织工程中的应用

口腔软组织工程涉及口腔颌面功能和美学的修复重建。三维生物打印作为21世纪初的新兴技术,包裹细胞的生物墨水可通过模拟发育过程中组织的自组装促进再生,在组织工程中的应用前景巨大。口腔软组织既包括口腔特有的牙髓、牙周膜、牙龈、口腔黏膜和唾液腺,也包括颌面部涉及的皮肤、血管、肌肉和神经等组织。目前,三维生物打印在口腔特有软组织修复中主要应用于牙髓再生领域,利用不同的生物墨水荷载牙髓细胞在牙本质基质中修复牙髓组织;三维生物打印在牙周膜重建和类唾液腺培养方面仅有少量体外研究;且尚未检索到三维生物打印在牙龈和口腔黏膜再生方面的应用。这应与牙周膜复杂精细有序结构、口腔的湿润环境、有限的操作空间以及持续的咀嚼压力相关。对于皮肤、血管、肌肉和神经的三维生物打印,虽研究较多,但大多无口腔针对性。本文简要介绍目前以细胞相容水凝胶为生物墨水的三维生物打印在口腔软组织再生中的应用现状及前景展望。

三维生物打印技术在泌尿系组织工程中的研究进展

针对泌尿系疾病导致的组织器官损伤和缺失,目前临床上的治疗方法存在局限性。组织工程通过对细胞、生物支架和生物相关分子的研究,提供了一种可替代或再生受损组织器官的治疗手段。三维(3D)生物打印技术作为新兴制造技术,能对载有细胞的生物材料精确控制,进一步推动着组织工程领域的发展。本文综述了3D生物打印技术在肾脏、输尿管、膀胱、尿道组织工程中的研究进展和应用,并讨论了目前面临的主要挑战和未来展望。