3D打印生物墨水在组织修复与再生医学中的应用

背景:通过选用合适的生物墨水,3D打印技术可用以制造人体组织和器官的代替物,并在人体内发挥作用。近些年来3D打印技术发展迅速,在再生医学中有着巨大的应用潜力。目的:介绍3D打印用生物墨水的类型,并综述生物墨水的分类、应用、优缺点及未来愿景。方法:以“3D printing,Biological ink,Tissue engineering,hydrogel,Synthetic material,Cytoactive factor,3D打印、生物墨水、组织工程”为检索词,运用计算机检索2000-2022年以来发表在PubMed、CNKI数据库中的相关文献,最终纳入83篇进行综述。结果与结论:在过去的几十年里,生物3D打印技术发展迅速,在组织工程和生物医学等各个领域都受到了极大的关注。相对于传统生物支架制造方法在功能性及结构方面受到的限制,3D打印可以更好地模拟生物组织复杂的结构,并且具有合适的力学、流变学和生物学特性。生物墨水是3D打印中必不可少的一部分,通过生物材料制备的生物墨水,经打印后产生的生物支架在组织修复和再生医学等方面有着巨大的科研潜力及临床意义,其材料的研究本身也越来越受到专家们的重视。3D打印生物墨水的材料各种各样,有天然材料也有合成材料,还有一些不需要任何额外生物材料的细胞聚集体,并且各种材料在实际运用中的功效各不相同。未来会有越来越多的生物墨水被研制用于组织工程,需要通过充足的实验模拟及设备测试来对生物墨水的可打印性进行分析,从而满足实际的医用需求。

生物墨水挤出打印成型精度评价方法概述

为了推动挤压生物3D打印结构精度的提升,介绍了以水凝胶为代表的生物墨水挤压打印原理及相关数学模型.针对打印精度的影响因素,从结构设计、生物墨水特性、打印设备及工艺参数三方面进行系统分析,总结各参数对打印精度的作用.按照定量评价方法所涉及参数的维度归纳总结并分析不同方法的优缺点,从仿真预测、克服材料力学行为、辅助打印等方面提出研究思路,为后续挤压生物3D打印技术的进一步发展提供参考.

3D生物打印中复合水凝胶生物墨水的研究进展

近年来,3D生物打印作为一种新兴生物增材制造技术,被广泛应用于体外功能组织和类器官结构开发。一种可负载细胞的水凝胶生物墨水,不仅能为组织发育提供稳定的3D架构,还可充当细胞的第一接触点,从而影响到构建物中细胞数量、增殖、迁移等。然而传统水凝胶生物墨水存在可打印性差、力学性能差、不利于细胞生长的微环境等诸多缺点。近年来,大家致力于复合水凝胶生物墨水的开发,以弥补水凝胶生物墨水的短板,本文正是对增强水凝胶生物墨水性能的策略进行分类归纳,将各种增强策略的方法、优缺点及前景综述,并对水凝胶生物墨水的研发进行了展望。

制备脱细胞基质生物墨水在心血管疾病领域中的应用

背景:借助计算机辅助,3D生物打印技术利用负载活细胞的生物墨水实现组织器官的构建,这种技术设计自由度高、可个性化定制且制造灵活,为心血管组织工程构建带来了新希望。生物墨水是3D生物打印技术的关键,是生物材料与组织再生领域近年来的研究热点。脱细胞基质材料具有低免疫原性、维持原有细胞外基质组分与纤维结构以及利于组织特异性细胞的存活与扩增的特点,是一种具有潜力的生物墨水。目的:总结了脱细胞基质生物墨水的制备与性能表征方法及其在心血管领域中的应用,为脱细胞基质生物墨水在心血管领域中的应用研究提供重要参考。方法:在中国知网和PubMed数据库中进行相关文献检索,中文检索词为“3D打印、脱细胞、生物墨水、血管、心脏”,英文检索词为“decellularization,bioink,3D print,vessel,cardiac”,最终纳入82篇文献进行分析。结果与结论:①脱细胞基质生物墨水的基本制备步骤包括生物材料脱细胞处理获得脱细胞基质,酶解消化脱细胞基质,调节消化液pH值和渗透压以及脱细胞基质混合细胞;②脱细胞基质生物墨水的基本性能表征主要包括脱细胞基质组分、流变性能、微观结构、生物活性、力学性能以及生物降解性;③在血管方面,研究者们通过使用先进打印技术、材料复合以及牺牲层等策略,制备出的脱细胞基质血管的力学性能可得到提升,并得到多层小口径血管,但这些打印过程较复杂,血管性能缺乏动物实验验证,多层血管的培养条件未经优化,且未进行缝合强度和爆破压等重要测试,无法满足医疗器械所需的性能;④在心肌修复方面,研究者证实与胶原及GelMA等相比,脱细胞基质生物墨水在心肌修复中更有优势。同时研究者集中于通过提升材料力学强度和导电性能,并构建微血管网络,进行脱细胞基质心肌补片的设计,这些补片在治疗心肌梗死方面表现出一定优势。然而种子细胞的参数(类型、区域密度和数量等)对于心肌补片的影响问题以及心肌补片与宿主组织之间的电耦合问题等均未取得突破,无法满足医疗器械所需的性能;⑤因此,脱细胞基质生物墨水虽然在构造心血管结构方面展现出了一定潜力,但以脱细胞基质为基础打印的血管和心肌补片目前仍处于实验室阶段,距离进入临床应用还需克服一系列问题。

生物3D打印技术及水凝胶生物墨水在医用材料中的应用分析

生物3D打印是将细胞、生物材料和生长因子等组分共同混合打印成设计结构的技术,因其精确控制细胞空间分布的能力,近年来被广泛应用于组织器官的再生修复。水凝胶具有与细胞外基质相似的含水量和拓扑结构,因此在生物3D打印领域具有广阔应用前景。文章综述了目前常见的生物3D打印方法,介绍了重要的水凝胶材料,同时对生物3D打印技术及水凝胶生物墨水存在的挑战和未来的前景进行了论述。

3D生物打印生物墨水灭菌技术的合理选择与应用

背景:3D生物打印的应用愈加广泛,与之相关的生物墨水灭菌则非常重要,然而用于临床目的的生物墨水的灭菌问题尚未得到解决。目的:对用于3D生物打印的生物墨水灭菌技术的研究做一综述。方法:检索中国知网、万方数据、PubMed和Web of Science数据库中相关文献,中文检索词为“3D生物打印、组织工程、增材制造、生物墨水、生物材料、灭菌、杀菌、无菌化”,英文检索词为“3D bioprinting,tissue engineering,additive manufacturing,bio-ink,biomaterials,sterilization,disinfect,aseptic”。最终纳入77篇相关文献进行综述。结果与结论:不同的灭菌方法在完成对3D生物打印的生物墨水灭菌的同时也会对生物墨水产生不良影响。①有些灭菌方法可损伤生物墨水的微观结构:比如射线辐射灭菌与紫外线产生的自由基会影响生物墨水的流体力学和可塑造性,过氧乙酸因其强氧化性溶解生物墨水的某些成分,对机械性能要求较高的材料应减少使用此种灭菌方法;②有些灭菌方法可破坏生物墨水所含生物大分子的活性:比如高压蒸汽灭菌的高能量水蒸汽、射线辐射灭菌与紫外线产生的自由基会导致蛋白质和酶等生物大分子的活性丧失,因此对需要生物大分子发挥活性的生物墨水应减少使用此种灭菌方法;③有些灭菌方法可残留毒性物质:如环氧乙烷灭菌后的残留物有致癌性,影响种子细胞的生存,所以对需要负载种子的生物墨水应减少使用此种灭菌方法;④有些灭菌方法对生物墨水不能完成彻底灭菌:如乙醇、抗菌素等方法在灭菌时受其自身性质的限定不能总是完成对生物墨水的灭菌,因此常需要与其他方法的联用,例如不同种类抗菌素的联用、过氧乙酸与乙醇联用等既能实现优势互补还不造成额外不良影响;⑤因此选择最适用于3D生物打印的生物墨水灭菌方法时应综合考虑材料本身特性、材料应用的目的、灭菌方式和灭菌原理。

明胶基生物墨水在药学研究中的应用

近年来,随着生物打印技术的进步,基于生物打印技术构建的体外模型用于新药筛选和毒性评价引起人们极大的关注。作为一种新型的组织工程技术,生物打印技术的核心是生物墨水,即装载不同细胞的生物材料。明胶基生物墨水广泛用于生物打印,打印的三维(3D)体外模型与传统的二维(2D)模型相比,具有明显的优越性。本文主要对基于明胶及其修饰产物的生物墨水用于药物筛选和毒性评价进行综述,并给出对新型明胶生物墨水的展望。

基于同轴细胞打印双网络生物墨水优化及类血管支架的打印

背景:细胞体外培养情况下无法在远离营养物质200μm以上的区域存活,血管网络构建对组织工程领域厚组织和器官再生至关重要,同轴细胞打印为体外构建类血管通道提供了一种新的方式。目的:优化生物墨水的同轴细胞打印性能,制备具有类血管结构的组织工程支架。方法:通过间歇式巴氏灭菌制备无菌海藻酸钠溶液,冷冻保存;以脱胶蚕丝为原料制备无菌丝素蛋白冻干粉,密封保存;将丝素蛋白冻干粉加入解冻的海藻酸钠溶液中,再加入人脐静脉内皮细胞,作为生物墨水;将生物3D打印机的外轴连接生物墨水,内轴连接交联剂,同轴打印类血管支架材料,进行光学相干层析成像扫描、扫描电镜观察;拉伸测试海藻酸钠与丝素蛋白/海藻酸钠同轴打印环形试件(不含细胞)的弹性模量。采用冷冻保存7 d的海藻酸钠溶液与人脐静脉内皮细胞制作同轴打印支架,冷冻保存7 d的海藻酸钠溶液、人脐静脉内皮细胞与密封保存6个月的丝素蛋白冻干粉制作同轴打印支架,培养24 h后死活染色观察细胞存活率。设计打印串联与并联结构的类血管支架,培养1,3,7,10,14 d后检测细胞增殖情况。结果与结论:①光学相干层析成像扫描显示,该混合生物墨水最高打印高度为9层,整体厚度约为4.4mm;扫描电镜显示,类血管支架的中空纤维丝外壁呈无规则条状卷曲,存在微米级内部连通孔隙结构,中空纤维丝内壁具有更致密的孔隙结构;②丝素蛋白/海藻酸钠同轴打印环形试件的弹性模量大于单纯海藻酸钠同轴打印环形试件(P<0.05);③采用保存7 d海藻酸钠溶液制作的支架细胞存活率为(86.7±3.4)%,加入丝素蛋白冻干粉支架的细胞存活率为(98.1±1.2)%,说明冷冻保存7 d的海藻酸钠溶液未染菌,丝素蛋白的保质期可达6个月;④并联结构类血管支架培养7,10,14 d的细胞增殖活性高于串联结构的类血管支架(P<0.05);⑤结果表明,实验制备的类血管支架材料具有良好的生物相容性与机械性能。

阮长顺团队研制出一种挤出式生物打印的酶固化明胶基生物墨水

中国科学院深圳先进技术研究院人体组织与器官退行性研究中心阮长顺团队在用于挤出式生物打印的明胶基生物墨水研究取得进展。相应成果"Temperature-programmable and enzymatically solidifiable gelatin-based bioinks enable facile extrusion bioprinting(用于挤出式生物打印的温度可控和酶固化的明胶基生物墨水)"于2020年7月7日在Biofabrication上发表。

光交联丝素蛋白生物3D打印墨水的研究进展

丝素蛋白具有生物相容性高、生物降解性可控及力学性能可调等优异特性,是一种极具应用潜力的生物3D打印墨水材料。基于光交联反应的生物材料加工技术具有条件温和、高效可控等优点,是当前生物3D打印领域的热点方向。文章以墨水性能要求为主线,先从流变性能出发介绍了适合光交联丝素蛋白生物3D打印的打印方式,再从光交联反应性出发讨论了丝素蛋白的光敏改性方法及光诱导交联机制,然后从生物相容性出发介绍了辐照光源与光引发剂的发展,总结了丝素蛋白及其与合成、天然高分子材料复配墨水在光交联生物3D打印领域的应用,并论述了光交联丝素蛋白生物墨水在制备、发展方向和应用过程中所面临的挑战。

基于3D生物打印生物墨水的研究进展

随着三维(3D)生物打印技术在组织工程和再生医学中的普遍应用,用于3D生物打印的生物墨水也越来越受到重视。生物墨水一般指天然的或人工合成的各种生物材料、生物活性分子、各类细胞等组成的混合物。为了解基于3D生物打印生物墨水的研发现状及进展,笔者综述3D生物打印生物墨水的常用基本材料和分类,详细介绍了优缺点和应用,并对未来愿景进行展望。复合材料性能比较完善和多样化,能满足各种打印的需要,因此其需求量比较大,未来的发展前景广阔。

甲基丙烯酸酐化明胶-甲壳素纳米晶须生物墨水的特性和3D打印效果

目的探讨由甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)和甲壳素纳米晶须(ChiNC)组成的混合生物墨水的物理特征、生物相容性,以及3D打印效果。方法2021年5月至2022年12月,于100mg/mlGelMA生物墨水中添加ChiNC,制备成ChiNC浓度分别为5、10、20mg/ml的混合生物墨水,分别命名为GC5、GC1O、GC20组,与未添加ChiNC的GelMA生物墨水(CCO组)共同实验。采用扫描电镜观察4组生物墨水光固化后形成的水凝胶的横截面,计算孔隙率。称量各组水凝胶溶胀前后质量,计算平衡溶胀比。将4组生物墨水加入48孔板中,光固化成水凝胶,表面种植入脐静脉内皮细胞(HUVECs),于培养基中培养至第1、3、7天分别行CCK-8实验检测吸光度A值,比较4组水凝胶中细胞的增殖速度。4组生物墨水中添加HUVECs,打印网格状支架,于培养基中培养至第1、7天分别行Live-Dead染色,观察细胞存活率。采用打印挤出成丝实验,观察各组生物墨水挤出时的连续成丝性,比较各组的打印效果。采用最佳配比的混合生物墨水3D打印模拟膀胱壁黏膜层、黏膜下层和肌层解剖结构的组织工程膀胱补片,观察打印结构的稳定性和保真度,验证混合生物墨水打印多层复杂结构的可行性。结果扫描电镜观察结果显示,GCO、GC5、GC1O、GC20组水凝胶的孔隙率分别为(51.43±6.23)%、(51.85±6.47)%、(50.55±4.59)%和(42.49±2.20)%,GC0组与其他3组比较差异均无统计学意义(P=0.9994、P=0.9948、P=0.1200)。GC0组平衡溶胀比为9.37±0.49,低于GC5组(8.81±0.41,P=0.0457)、GC10组(7.95±0.19,P<0.01)、GC20组(7.71±0.14,P<0.01),差异均有统计学意义。CCK-8检测结果显示,GCO、GC5、GC10、GC20组培养第1天的吸光度A值分别为0.357±0.0070.350±0.012、0.360±0.009、0.345±0.018,GC10组与其他3组比较差异均无统计学意义(P=0.9332、P=0.5464、P=0.4937);培养第3天的吸光度A值分别为0.634±0.010、0.704±0.009、0.755±0.012、0.653±0.015,GC10组与其他3组比较差异均有统计学意义(P<0.01、P=0.0033、P=0.0002);培养第7天的吸光度A值分别为0.846±0.026、0.930±0.043、1.001±0.031.0.841±0.024,GC10组与其他3组比较差异均有统计学意义(P=0.0012、P=0.1390、P=0.0010)。GCO、CC5、GC10、CC20组培养第1天的HUVECs细胞存活率分别为(90.13±1.63)%、(90.6±2.45)%、(92.58±2.15)%、(91.40±3.17)%,GC0组与其他3组比较差异均无统计学意义(P=0.9869、P=0.3093、P=0.8008);培养第7天的细胞存活率分别为(89.97±3.10)%、(92.18±2.21)%、(92.05±2.25)%、(90.12±1.97)%GC0组与其他3组比较差异均无统计学意义(P=0.3965、P=0.4511、P=0.9995)。打印挤出成丝测试结果显示,GC0组在24℃~25℃时挤出连续且能成丝,GC10组在24℃~27℃时挤出连续且能成丝。使用CC10组打印组织工程膀胱补片,结果显示打印的补片稳定,无塌,保真度高。结论在GelMA中添加ChiNC能促进细胞黏附、增殖,扩大GelMA生物墨水的打印窗口。在GelMA中添加10mg/ml ChiNC制备的混合生物墨水的生物相容性良好,能打印模拟天然膀胱壁解剖结构的组织工程膀胱补片。

含富血小板血浆的功能化多组分生物墨水应用于创面原位双层生物打印促进创面愈合

创面原位三维生物打印是一项根据皮肤缺损结构迅速精准修复创面的技术,应用前景广阔。多组分生物墨水的配方仍需探索完善,以提高打印细胞和生物墨水的性能。富血小板血浆(PRP)作为患者组织损伤后特异性自体复合生长因子的来源,具有启动组织修复和促进组织再生的潜在能力。此研究旨在制备PRP-海藻酸-明胶(AG)复合水凝胶生物墨水,筛选优化关键配制参数,并评价其在体内外的生物效应。

3D生物打印及其在盆底领域中的应用研究进展

3D生物打印是指用精确分配的充满细胞的生物材料将细胞编程组装成复杂的3D几何形状,以构建类似组织的结构,是医学发展迅速的领域。随着科学技术的进一步发展,3D生物打印也将逐渐实现由“材料+细胞”到单个器官的突破。目前,3D生物打印已在骨科、颌面外科等多个领域得到初步应用,同时展现出在妇科盆底领域,尤其是生物网片在盆底的未来应用潜力。本文就3D生物打印的概念、打印方式、最新应用进展,及其在盆底领域的应用展开综述。

气动挤出式双喷头生物3D打印机设计与研制

针对组织工程中异质组织器官的生物3D打印问题,根据不同生物材料打印工艺要求,提出一种气动挤出式双喷头生物3D打印机。首先介绍了生物3D打印机的系统组成,对多轴运动系统、集成定位器的打印平台、光固化打印头和控制系统进行了设计研究,并利用TracePro软件对光固化打印头的光环尺寸以及光辐照度进行了仿真验证;然后对生物3D打印机进行了双喷头交替打印测试和生物墨水打印测试,验证了设计的生物3D打印机能够满足多种生物材料交替打印的工艺需求,为组织工程中异质组织结构的生物3D打印提供了技术上的可能性。

生物3D打印用丝素蛋白基凝胶墨水的研究进展

丝素蛋白(SF)作为一种天然且古老的蛋白质材料,因其优异的特性成为了生物3D打印墨水材料绝佳的候选者,在生物医学领域受到了广泛的关注。为此,概述了SF在生物3D打印领域的发展,总结了SF材料的物理化学和生物学基本特性,探讨了其作为生物墨水应用于挤出式生物3D打印、光固化生物3D打印和喷墨生物3D打印的要求和可加工性。综述了近年来SF与人工合成聚合物、天然聚合物和无机功能材料复合形成SF基水凝胶墨水在生物3D打印领域中的研究进展,对其所面临的挑战进行了讨论。指出:随着生物3D打印技术的深入发展,通过生物3D打印形成的SF基水凝胶构建体在生物医学领域会有更广阔的应用前景。

脱细胞基质生物墨水制备方法及应用进展

组织器官脱细胞后制备成的脱细胞基质(Decellularized extracellular matrix,dECM)含有许多蛋白质和生长因子,不仅能够为细胞提供三维支架还能够调控细胞再生,是目前最具有生物结构的生物材料。3D生物打印可以层层打印dECM和自体细胞的组合,构建载细胞组织结构。文中综述了不同来源的组织器官脱细胞基质生物墨水制备方法,包括脱细胞、交联等,以及脱细胞基质生物墨水在生物打印中的应用,并展望了其未来的应用前景。

3D生物打印技术在皮肤修复中的应用

皮肤是人体最大的器官,其结构的完整性对维持人体的正常生理机能有重要作用。大面积皮肤创伤的修复和皮肤慢性溃疡的愈合问题是临床待解决的难题。尽管过去组织工程皮肤的研究已取得很多成果,但如何一体化构建具有毛囊、汗腺、皮脂腺等皮肤附属器和血管网络的组织工程皮肤等仍有许多难题有待解决。近年来,3D生物打印技术迅速发展,为解决上述难题提供了新思路。本文对新兴的3D生物打印技术在皮肤创面修复中的应用、前景和目前存在的问题进行综述。

生物墨水在3D生物打印组织工程气管中的应用

通过3D生物打印的组织工程技术进行气管重建在当前已经成为对于长段气管损伤后进行修复的一种理想化的方法,而如何选取打印材料制造出合适的组织工程气管是保障气管移植物能在人体完美存活的关键。生物墨水是一种生物制造技术制造的,含有生物活性成分的细胞配方,其对3D打印组织工程气管的成败起着决定性的作用。寻找一种拥有良好生物相容性,能够打印出具有较高机械强度生物结构的生物墨水显得尤为重要。本文旨在对不同材料制成的生物墨水的优缺点、当前的应用现状以及3D打印组织工程气管的临床实际运用进行综述,以促使早日能够实现组织工程气管的临床转化,系统化的投入实际的临床应用。

3D生物打印技术在心脏组织工程中的研究进展

心脏组织工程(CTE)是一种具有发展前景的心脏修复技术,为心脏组织的研究提供了平台,其主要应用于修复受损或无效的血管、心脏瓣膜和心肌。三维(3D)生物打印技术已经越来越多地用于医学的不同领域,包括心血管疾病(CVD)。文章就CTE的3D生物打印技术的最新进展作一综述,针对特定CVD患者的3D打印模型,重点介绍了3D打印模型在先天性心脏病、冠状动脉疾病及主动脉瓣疾病等CAD中的应用,以及生物打印过程中常用于生物墨水的海藻酸盐、明胶、纤维蛋白和胶原蛋白等生物材料,并分析了3D生物打印技术在CTE领域的应用前景及未来要面临的挑战。3D生物打印技术因能够将多个细胞整合到具有复杂3D结构的打印支架中而备受关注,为多种CAD患者提供更多治疗方案,增强了临床医生对复杂疾病的理解和对复杂手术的信心。随着3D打印技术的发展和打印材料的改进,3D打印技术将在CTE中应用会越来越广泛。