2023年生物3D打印都在做哪些研究？

來源： 醫(yī)工融合轉(zhuǎn)化

生物3D打印是一項(xiàng)引人入勝的前沿科技，其背后有著令人嘆為觀止的歷史和科學(xué)背景。其發(fā)展根植于多個(gè)領(lǐng)域的交叉融合，為未來的醫(yī)學(xué)、生物工程和生物學(xué)研究開辟了嶄新的可能性。生物3D打印的背景可以追溯到3D打印技術(shù)的崛起。3D打印最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，它允許人們將數(shù)字設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)體對象，如機(jī)械零件和原型模型。這為制造業(yè)帶來了巨大的革命，但很快科學(xué)家們開始思考如何將這一技術(shù)應(yīng)用于生物領(lǐng)域。

20世紀(jì)80年代末，3D打印作為一種新型的制造技術(shù)首次亮相；
90年代末，3D打印首次在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮作用，初期主要用于定制假肢；
2011年，荷蘭老嫗下顎骨用3D打印金屬代替標(biāo)志3D打印移植物開始進(jìn)入臨床應(yīng)用時(shí)代

時(shí)至2023，生物3D打印已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。生物3D打印的發(fā)展離不開對生物材料和細(xì)胞工程的深入研究。生物科學(xué)家們努力尋找適合打印的生物材料，包括細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和生物墨水，也研究如何控制這些生物材料的生長和分化以及在打印過程中形成復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)。

作為一項(xiàng)快速發(fā)展的技術(shù)，其具有許多創(chuàng)新的應(yīng)用領(lǐng)域，如個(gè)性化醫(yī)療、人工器官和組織模型、藥物遞送系統(tǒng)、傳感和軟體機(jī)器人等。為了讓大家進(jìn)一步了解3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，EFL為大家整理了2023年關(guān)于生物3D打印的9篇高質(zhì)量綜述，讓我們一起來深入探索目前生物3D打印的最新的材料、技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展吧！

綜述1：用于組織工程的異質(zhì)結(jié)構(gòu)多材料3D和4D生物打印
期刊及發(fā)表時(shí)間：Advanced Materials （IF 29.4） 2023-09-22

應(yīng)用方向：組織工程

主要內(nèi)容：基于離散材料逐層成形和堆疊原理的增材制造（AM）在組織工程（TE）復(fù)雜植入物的制造中顯示出顯著的優(yōu)勢。然而，許多天然組織表現(xiàn)出各向異性的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有不同的成分和功能。因此，使用基于單一材料的傳統(tǒng)AM工藝來成型復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性。多材料3D和4D生物打�。ㄒ詴r(shí)間為第四個(gè)維度）已經(jīng)成為一種可能的解決方案，用于構(gòu)建具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多功能植入物，可以比單一材料更好地模擬宿主微環(huán)境。本文介紹了仿生異質(zhì)結(jié)構(gòu)在TE應(yīng)用中的典型設(shè)計(jì)策略，討論了異質(zhì)組織結(jié)構(gòu)的多材料3D和4D生物打印的最新工藝，特別強(qiáng)調(diào)了智能多功能組織結(jié)構(gòu)的多材料4D生物打印的潛力。

原文鏈接：https：//doi.org/10.1002/adma.202307686

綜述2：聚合物復(fù)合材料的3D打印制造可穿戴傳感器：全面回顧
期刊及發(fā)表時(shí)間：Materials Science and Engineering：R：Reports （IF 31.0） 2023-05-13

應(yīng)用方向：可穿戴傳感器

主要內(nèi)容：可穿戴傳感器在醫(yī)療保健系統(tǒng)、人體運(yùn)動(dòng)檢測、機(jī)器人和人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們的極大關(guān)注，而這些應(yīng)用需要可拉伸、柔性和非侵入性的材料。聚合物復(fù)合材料現(xiàn)在處于研究的前沿，有潛力制備出創(chuàng)新的可穿戴傳感器。3D打印技術(shù)可用于獲得高度定制和可擴(kuò)展的聚合物復(fù)合材料，以制造可穿戴傳感器，這對于傳統(tǒng)制造技術(shù)來說是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本文綜述了常用的導(dǎo)電納米材料和3D打印技術(shù)在制備可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用前景。隨后，討論了3D打印可穿戴傳感器的研究進(jìn)展、傳感機(jī)制和性能，如應(yīng)變、壓力、溫度和濕度傳感等。此外，還重點(diǎn)介紹了新型3D打印多功能傳感器，如多向、多模態(tài)、自修復(fù)、自供電、原位打印和超聲波傳感器。闡明了今后研究發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和趨勢。

原文鏈接：https：//doi.org/10.1016/j.mser.2023.100734


綜述3：3D打印在傷口愈合中的應(yīng)用：干細(xì)胞體外輸送和抗菌
期刊及發(fā)表時(shí)間：Advanced Drug Delivery Reviews （IF 16.1） 2023-04-15

應(yīng)用方向：傷口愈合

主要內(nèi)容：隨著全球慢性傷口患者數(shù)量的增加，患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和社會壓力日益增加。干細(xì)胞因其來源豐富、多向分化能力強(qiáng)、增殖速度快等特點(diǎn)而成為組織工程種子細(xì)胞。然而，將它們用于皮膚損傷的體外治療仍然具有挑戰(zhàn)性。此外，傷口部位和環(huán)境的細(xì)菌可以顯著影響傷口愈合。在過去的十年中，3D生物打印極大地豐富了細(xì)胞傳遞系統(tǒng)。該技術(shù)制備的支架可以在細(xì)胞內(nèi)精確定位，并具有抗菌作用。這篇綜述總結(jié)了基于生物3D打印的干細(xì)胞體外輸送及其抗生素對傷口愈合的促進(jìn)作用。

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

綜述4：用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的生物功能化3D打印結(jié)構(gòu)：對最新進(jìn)展和未來前景的批判性回顧
期刊及發(fā)表時(shí)間：Progress in Materials Science （IF 37.4） 2023-03-30

應(yīng)用方向：功能化生物材料

主要內(nèi)容：目前革命性醫(yī)療保健的最大趨勢之一是引入先進(jìn)的增材制造技術(shù)，也稱為3D打印，用于個(gè)性化，可再生和可獲得的治療。由物理信號和生化信號控制的生物活性對這種廣泛的新興治療至關(guān)重要。這篇綜述批判性地研究了目前用于將生物分子固定在3D打印結(jié)構(gòu)上的生物功能化方法的能力和局限性，概述了最佳生物功能化方法的相關(guān)考慮因素，并確定了常見的共同要求。在材料、生物分子、細(xì)胞、其他固定方法和進(jìn)一步應(yīng)用方面，探索了擴(kuò)展和改進(jìn)的機(jī)會。

原文鏈接：https：//doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101124

綜述5：用于個(gè)性化骨保健的再生生物材料的設(shè)計(jì)、印刷和工程
期刊及發(fā)表時(shí)間：Progress in Materials Science （IF 37.4） 2023-01-16

應(yīng)用方向：骨組織工程

主要內(nèi)容：隨著全球老齡化的發(fā)生，與創(chuàng)傷和疾病相關(guān)的骨骼缺陷和疾病正困擾著數(shù)百萬人。最近，增材制造（AM）和骨組織工程（BTE）的融合開啟了一個(gè)“個(gè)性化骨保健”時(shí)代，“設(shè)計(jì)”，“打印”和“工程”輸入以產(chǎn)生定制的3D架構(gòu)（生物）支架，根據(jù)相關(guān)的AM范式，以解決宿主組織的生物/病理復(fù)雜性。本文對該領(lǐng)域的基本理論、范例、生物材料或墨水的選擇、不同類型的3D打印最新進(jìn)展和未來趨勢等進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。本綜述可為下一代骨保健用AM生物材料的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用提供有益的指導(dǎo)。

原文鏈接：https：//doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101072

綜述6：通過3D打印實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的可定制微針的設(shè)計(jì)和制造
期刊及發(fā)表時(shí)間：Bioactive Materials （IF 18.9） 2023-10-12

應(yīng)用方向：可定制微針

主要內(nèi)容：微針（MNs）是一種利用10 ~ 1000 μm長度的針頭，作為治療、疾病監(jiān)測、診斷等各種程序的微創(chuàng)技術(shù)的新興技術(shù)。常用的微成型制造方法具有可擴(kuò)展性的優(yōu)勢，然而，微成型無法實(shí)現(xiàn)尺寸、幾何形狀和結(jié)構(gòu)的快速定制，而這些是決定納米網(wǎng)絡(luò)功能和功效的關(guān)鍵因素。3D打印提供了一個(gè)可能的替代方案，使MNs制造具有精確應(yīng)用所需的高精度尺寸，從而提高了性能。此外，由于其可定制性和一步流程，3D打印的MNs具有良好的增長潛力，特別是在個(gè)性化和按需醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域。這篇綜述概述了設(shè)計(jì)納米顆粒時(shí)需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)，介紹了制造新一代納米顆粒的各種3D打印技術(shù)，并強(qiáng)調(diào)了3D打印納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的進(jìn)步。最后，本文對3D打印機(jī)器的未來前景提供了一些見解，特別是其在進(jìn)入市場方面的進(jìn)展。

原文鏈接：https：//doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.09.022

綜述7：光聚合生物打印
期刊及發(fā)表時(shí)間：Nature Reviews Methods Primers （IF 39.5） 2023-06-22

應(yīng)用方向：光固化生物打印的廣泛應(yīng)用

主要內(nèi)容：光聚合生物打印可以使用充滿光活化生物樹脂的容器(vats)，以點(diǎn)對點(diǎn)、層對層或體積的方式對3D細(xì)胞負(fù)載結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助打印。這一系列技術(shù)——按其操作模式分為立體光刻、數(shù)字光處理和體積增材制造——在過去的幾十年里得到了廣泛的發(fā)展，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本綜述從硬件，軟件和生物樹脂選擇的角度說明了光基樹脂聚合3D生物打印的方法，隨后討論了這些技術(shù)的方法變化，包括它們的最新進(jìn)展，并詳細(xì)說明了用于確保生物打印程序和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵評估。最后，對基于光的聚合方法的未來方向提供了見解。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s43586-023-00239-6

綜述8：用于軟體機(jī)器人的3D打印PEDOT:PSS
期刊及發(fā)表時(shí)間：Nature Reviews Materials （IF 83.5） 2023-08-24

應(yīng)用方向：軟體機(jī)器人

主要內(nèi)容：軟機(jī)器人技術(shù)是一門新興的技術(shù)，需要導(dǎo)電材料具有固有的高順應(yīng)性來感知，控制或驅(qū)動(dòng)。聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）是一種柔軟柔韌的導(dǎo)電聚合物，具有可調(diào)的機(jī)械性能，混合離子和電子導(dǎo)電性和優(yōu)異的加工性能。將PEDOT:PSS與先進(jìn)的3D打印相結(jié)合，在軟材料工程和軟機(jī)器人領(lǐng)域迎來了前所未有的機(jī)遇。本文提供了對導(dǎo)電聚合物3D打印的理論背景和基本方面的見解，以加速軟機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

原文鏈接：https：//doi.org/10.1038/s41578-023-00587-5

綜述9：生物工程皮膚類器官：從開發(fā)到應(yīng)用
期刊及發(fā)表時(shí)間：Military Medical Research （IF 21.1） 2023-08-22

應(yīng)用方向：類器官

主要內(nèi)容：近年來，在高度復(fù)雜的皮膚類器官的開發(fā)方面取得了重大進(jìn)展。作為模擬人類皮膚的三維模型，這些類器官已經(jīng)進(jìn)化成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且由于它們能夠克服二維系統(tǒng)的局限性和倫理問題，越來越多地被認(rèn)為是傳統(tǒng)培養(yǎng)模型和人類皮膚的有效替代品。皮膚類器官固有的可塑性允許其構(gòu)建成生理和病理模型，使皮膚發(fā)育和動(dòng)態(tài)變化的研究成為可能。本文綜述了從三維層狀表皮到具有附屬物的囊腫樣皮膚類器官進(jìn)展的關(guān)鍵工作。此外，它還強(qiáng)調(diào)了由最先進(jìn)的工程技術(shù)（如3D打印和微流感裝置）推動(dòng)的類器官構(gòu)建的最新進(jìn)展。綜述和討論了皮膚類器官在發(fā)育生物學(xué)、疾病建模、再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用，并對其前景和局限性進(jìn)行了展望。

原文鏈接：https://doi.org/10.1186/s40779-023-00475-7

這些綜述從不同的角度和領(lǐng)域，如組織工程、可穿戴傳感器、傷口愈合等，展示了3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢。不僅強(qiáng)調(diào)了選擇正確的打印技術(shù)和材料對于3D打印在生物醫(yī)學(xué)中的成功至關(guān)重要，還指出了亟待解決的問題，如增加打印速度、提高分辨率、精度，以及尋找新的生物醫(yī)學(xué)打印材料。每一種3D打印技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用場景，但也都有待進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。

我們希望這些文章能激發(fā)更多的思考和探索，推動(dòng)3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用和發(fā)展。未來，我們期待看到更多創(chuàng)新的研究和技術(shù)突破，以更好地服務(wù)于人類健康和醫(yī)療事業(yè)。