生物或仿生增材制造中的物理問(wèn)題——文章目錄與簡(jiǎn)介

來(lái)源： 生物設(shè)計(jì)與制造BDM  

近年來(lái)，由于材料科學(xué)和制造技術(shù)的創(chuàng)新，3D打印已受到了廣泛的關(guān)注[1]，而生物材料和生物學(xué)方面的創(chuàng)新使得3D打印技術(shù)得以應(yīng)用于體外構(gòu)建復(fù)雜組織/器官的生物增材制造領(lǐng)域[2]。當(dāng)前的生物增材制造技術(shù)可大致分為基于噴墨的生物打印，基于微絲擠出的生物打印，基于數(shù)字光處理 (DLP) 的生物打印，電場(chǎng)輔助的生物打印，以及熔融沉積制造 (FDM) 等（圖1）[3,4]。盡管增材制造技術(shù)在不斷進(jìn)步 [5,6,7]，但其現(xiàn)階段的可靠性和產(chǎn)品的功能性尚不夠完善，生物增材制造在應(yīng)用端仍面臨巨大的挑戰(zhàn)[8]。

圖1 各種經(jīng)典的生物增材制造技術(shù)

眾所周知，生物力學(xué)、流體力學(xué)、流變學(xué)、相變理論等物理學(xué)知識(shí)在打印過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和打印結(jié)果的預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)[9]。然而，生物增材制造過(guò)程中的許多基礎(chǔ)物理問(wèn)題仍然缺乏深入的探索和理解[10,11]。例如，噴墨打印過(guò)程中液滴和基底的碰撞[12]，DLP打印過(guò)程中未固化的光交聯(lián)生物墨水對(duì)成型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[13]及電場(chǎng)輔助的打印過(guò)程中的電場(chǎng)力及粘性力的平衡[14]等。盡管這些現(xiàn)象已經(jīng)被廣泛報(bào)道和研究，但是仍然未能清晰闡釋這些現(xiàn)象背后的物理機(jī)制。此外，除了打印結(jié)構(gòu)的形狀保真度，細(xì)胞存活率也是3D生物打印的另一重要參考指標(biāo)[15]，因?yàn)榧?xì)胞的活性反映了細(xì)胞在打印過(guò)程中和打印后面臨的環(huán)境[16,17]。盡管已有報(bào)道稱(chēng)，在包含噴頭的生物3D打印過(guò)程中，剪切應(yīng)力是造成細(xì)胞損傷的主要原因；而在基于光固化的生物3D打印過(guò)程中，大多數(shù)的細(xì)胞損傷源于紫外光輻射[18]；目前尚未總結(jié)出對(duì)于不同生物增材制造工藝通用的細(xì)胞損傷標(biāo)準(zhǔn)。雖然已有研究者將物理/機(jī)器學(xué)習(xí)等模型用于分析/預(yù)測(cè)打印過(guò)程中造成的細(xì)胞損傷 [19,20]，但仍然缺乏描述整個(gè)生物3D打印過(guò)程中的細(xì)胞損傷的物理模型。

綜上所述，深入理解各種生物增材制造技術(shù)中所涉及的物理學(xué)將有助于研究人員更好地理解整個(gè)制造過(guò)程，并優(yōu)化打印平臺(tái)及相關(guān)工藝參數(shù)。因此，探索增材制造過(guò)程中涉及到的物理問(wèn)題將有利于增材制造技術(shù)的發(fā)展，并彌補(bǔ)現(xiàn)有打印結(jié)構(gòu)和臨床轉(zhuǎn)化之間的差距[21]。

為了進(jìn)一步闡述物理學(xué)在生物增材制造過(guò)程中的重要性，本雜志組織了名為“生物或仿生增材制造中的物理問(wèn)題”的主題特刊。在這期特刊中，我們收集到了6篇研究性文章，集中討論了不同生物增材制造技術(shù)中的成形機(jī)制及設(shè)計(jì)原理。Yang等[22]研究了激光粉末床熔融打印 (LPBF) 過(guò)程中激光功率和掃描速度對(duì)打印結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量、致密性及表面紋理的影響。通過(guò)優(yōu)化激光功率和掃描速度，可以避免因能量在基體中的過(guò)度儲(chǔ)存與積累而造成的熱脹冷縮。此項(xiàng)研究為L(zhǎng)PBF工藝用于加工生物降解結(jié)構(gòu)提供了科學(xué)依據(jù)。Valentin等[23]提出了一種創(chuàng)新的鈦-6-鋁-4-釩加工方法，通過(guò)直寫(xiě)打印輔以后期熱處理的方式形成了具有微小孔隙的多孔形態(tài)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)在海藻鹽中引入肽接枝和纖維蛋白，Qiu等[24]開(kāi)發(fā)了可用于高分辨率電流體力學(xué) (EHD) 生物3D打印的海藻酸鹽基生物墨水。此打印工藝的成絲精度可達(dá)到30 μm，并可以對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)進(jìn)行定向引導(dǎo)，為細(xì)胞的生存和擴(kuò)散提供理想的環(huán)境。Liu等[25]合成了可用于微絲擠出打印的一種基于殼聚糖/明膠和蛋清的復(fù)合水凝膠，并發(fā)現(xiàn)三聚磷酸酯 (TPP) 可最大限度地提高支架的物理和生物性能，顯示了此工藝在組織工程領(lǐng)域的巨大潛力。Huo等[26]利用雙極溫控系統(tǒng)提高了單溫控FDM的打印精度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析探討雙溫控系統(tǒng)對(duì)聚合物墨水流變性的影響，進(jìn)而為提高熱熔性聚合物的FDM打印精度提供了新思路。受kirigami藝術(shù)的啟發(fā)，Yue等[27]通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)幾何參數(shù)，打印了具有不同機(jī)械性能的二維片材，并由二維片材組合形成具有良好的形狀記憶能力和可編程性的三維結(jié)構(gòu)，顯示了在智能負(fù)載方面的巨大潛力。


文章專(zhuān)輯目錄
1. Physics problems in bio or bioinspired additive manufacturing
生物或仿生增材制造中的物理問(wèn)題
Jun Yin, Jin Qian, Yong Huang

2. Laser additive manufacturing of zinc: formation quality, texture, and cell behavior
鋅的激光增材制造：成形質(zhì)量，紋理及細(xì)胞行為
Mingli Yang, Liuyimei Yang, Shuping Peng, Fang Deng, Yageng Li, Youwen Yang, Cijun Shuai

3. Direct ink writing to fabricate porous acetabular cups from titanium alloy
利用鈦合金直寫(xiě)打印制造多孔髖臼杯
Naima Valentin, Weijian Hua, Ashish K. Kasar, Lily Raymond, Pradeep L. Menezes, Yifei Jin

4. Functional alginate-based bioinks for multiscale eletrohydrodynamic bioprinting of living tissue constructs with improved cellular spreading and alignment
利用多尺度電流體生物3D打印制備功能性海藻酸基的活體組織，并提升細(xì)胞的擴(kuò)散和排列
Zhennan Qiu, Hui Zhu, Yutao Wang, Ayiguli Kasimu, Dichen Li, Jiankang He

5. Evaluation of different crosslinking methods in altering the properties of extrusion printed chitosan-based multi-material hydrogel composites
不同交聯(lián)方式對(duì)擠出打印的殼聚糖復(fù)合水凝膠材料性能的評(píng)價(jià)
Suihong Liu, Haiguang Zhang, Tilman Ahlfeld, David Kilian, Yakui Liu, Michael Gelinsky, Qingxi Hu

6. Numerical simulation and printability analysis of fused deposition modeling with dual temperature control
雙極溫控的熔融沉積打印的數(shù)值模擬和可打印性分析
Xiaodan Huo, Bin Zhang, Qianglong Han, Yong Huang, Jun Yin

7. Shape recovery properties and load-carrying capacity of a 4D printed thick-walled kirigami inspired honeycomb structure
基于kirigami的4D打印厚壁蜂窩結(jié)構(gòu)的形狀恢復(fù)特性和承載能力
Chengbin Yue, Wei Zhao, Fengfeng Li, Liwu Liu, Yanju Liu, Jinsong Leng

引用本文
Yin J, Qian J, Huang Y, 2023. Physics problems in bio or bioinspired additive manufacturing. Bio-des Manuf, 6(2):99-102. https://doi.org/10.1007/s42242-023-00234-6

專(zhuān)輯目錄鏈接
https://link.springer.com/journal/42242/volumes-and-issues/6-2