2023年生物3D打印都在做哪些研究？

來源： 醫(yī)工融合轉化

生物3D打印是一項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背景。其發(fā)展根植于多個領域的交叉融合，為未來的醫(yī)學、生物工程和生物學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打印技術的崛起。3D打印最早出現(xiàn)在20世紀80年代，它允許人們將數(shù)字設計轉化為實體對象，如機械零件和原型模型。這為制造業(yè)帶來了巨大的革命，但很快科學家們開始思考如何將這一技術應用于生物領域。

20世紀80年代末，3D打印作為一種新型的制造技術首次亮相；
90年代末，3D打印首次在醫(yī)療領域發(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打印金屬代替標志3D打印移植物開始進入臨床應用時代

時至2023，生物3D打印已經(jīng)取得突破性進展。生物3D打印的發(fā)展離不開對生物材料和細胞工程的深入研究。生物科學家們努力尋找適合打印的生物材料，包括細胞、細胞外基質和生物墨水，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雜的生物結構。

作為一項快速發(fā)展的技術，其具有許多創(chuàng)新的應用領域，如個性化醫(yī)療、人工器官和組織模型、藥物遞送系統(tǒng)、傳感和軟體機器人等。為了讓大家進一步了解3D打印在生物醫(yī)學領域的應用，EFL為大家整理了2023年關于生物3D打印的9篇高質量綜述，讓我們一起來深入探索目前生物3D打印的最新的材料、技術和應用發(fā)展吧！

綜述1：用于組織工程的異質結構多材料3D和4D生物打印
期刊及發(fā)表時間：Advanced Materials （IF 29.4） 2023-09-22

應用方向：組織工程

主要內容：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)出各向異性的異質結構，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工藝來成型復雜的仿生結構具有挑戰(zhàn)性。多材料3D和4D生物打�。ㄒ詴r間為第四個維度）已經(jīng)成為一種可能的解決方案，用于構建具有異質結構的多功能植入物，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結構在TE應用中的典型設計策略，討論了異質組織結構的多材料3D和4D生物打印的最新工藝，特別強調了智能多功能組織結構的多材料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)表時間：Materials Science and Engineering：R：Reports （IF 31.0） 2023-05-13

應用方向：可穿戴傳感器

主要內容：可穿戴傳感器在醫(yī)療保健系統(tǒng)、人體運動檢測、機器人和人機交互等領域的應用引起了人們的極大關注，而這些應用需要可拉伸、柔性和非侵入性的材料。聚合物復合材料現(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打印技術可用于獲得高度定制和可擴展的聚合物復合材料，以制造可穿戴傳感器，這對于傳統(tǒng)制造技術來說是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。本文綜述了常用的導電納米材料和3D打印技術在制備可穿戴設備中的應用前景。隨后，討論了3D打印可穿戴傳感器的研究進展、傳感機制和性能，如應變、壓力、溫度和濕度傳感等。此外，還重點介紹了新型3D打印多功能傳感器，如多向、多模態(tài)、自修復、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用：干細胞體外輸送和抗菌
期刊及發(fā)表時間：Advanced Drug Delivery Reviews （IF 16.1） 2023-04-15

應用方向：傷口愈合

主要內容：隨著全球慢性傷口患者數(shù)量的增加，患者的經(jīng)濟負擔和社會壓力日益增加。干細胞因其來源豐富、多向分化能力強、增殖速度快等特點而成為組織工程種子細胞。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胞傳遞系統(tǒng)。該技術制備的支架可以在細胞內精確定位，并具有抗菌作用。這篇綜述總結了基于生物3D打印的干細胞體外輸送及其抗生素對傷口愈合的促進作用。

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

綜述4：用于生物醫(yī)學應用的生物功能化3D打印結構：對最新進展和未來前景的批判性回顧
期刊及發(fā)表時間：Progress in Materials Science （IF 37.4） 2023-03-30

應用方向：功能化生物材料

主要內容：目前革命性醫(yī)療保健的最大趨勢之一是引入先進的增材制造技術，也稱為3D打印，用于個性化，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打印結構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考慮因素，并確定了常見的共同要求。在材料、生物分子、細胞、其他固定方法和進一步應用方面，探索了擴展和改進的機會。

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

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

應用方向：骨組織工程

主要內容：隨著全球老齡化的發(fā)生，與創(chuàng)傷和疾病相關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“個性化骨保健”時代，“設計”，“打印”和“工程”輸入以產(chǎn)生定制的3D架構（生物）支架，根據(jù)相關的AM范式，以解決宿主組織的生物/病理復雜性。本文對該領域的基本理論、范例、生物材料或墨水的選擇、不同類型的3D打印最新進展和未來趨勢等進行了系統(tǒng)的綜述。本綜述可為下一代骨保健用AM生物材料的設計、開發(fā)和應用提供有益的指導。

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

綜述6：通過3D打印實現(xiàn)生物醫(yī)學應用的可定制微針的設計和制造
期刊及發(fā)表時間：Bioactive Materials （IF 18.9） 2023-10-12

應用方向：可定制微針

主要內容：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)技術的新興技術。常用的微成型制造方法具有可擴展性的優(yōu)勢，然而，微成型無法實現(xiàn)尺寸、幾何形狀和結構的快速定制，而這些是決定納米網(wǎng)絡功能和功效的關鍵因素。3D打印提供了一個可能的替代方案，使MNs制造具有精確應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，特別是在個性化和按需醫(yī)療設備領域。這篇綜述概述了設計納米顆粒時需要考慮的關鍵參數(shù)，介紹了制造新一代納米顆粒的各種3D打印技術，并強調了3D打印納米顆粒在生物醫(yī)學應用方面的進步。最后，本文對3D打印機器的未來前景提供了一些見解，特別是其在進入市場方面的進展。

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)表時間：Nature Reviews Methods Primers （IF 39.5） 2023-06-22

應用方向：光固化生物打印的廣泛應用

主要內容：光聚合生物打印可以使用充滿光活化生物樹脂的容器(vats)，以點對點、層對層或體積的方式對3D細胞負載結構進行計算機輔助打印。這一系列技術——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)學領域得到了廣泛的應用。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的方法變化，包括它們的最新進展，并詳細說明了用于確保生物打印程序和產(chǎn)品質量的關鍵評估。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：用于軟體機器人的3D打印PEDOT:PSS
期刊及發(fā)表時間：Nature Reviews Materials （IF 83.5） 2023-08-24

應用方向：軟體機器人

主要內容：軟機器人技術是一門新興的技術，需要導電材料具有固有的高順應性來感知，控制或驅動。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電聚合物，具有可調的機械性能，混合離子和電子導電性和優(yōu)異的加工性能。將PEDOT:PSS與先進的3D打印相結合，在軟材料工程和軟機器人領域迎來了前所未有的機遇。本文提供了對導電聚合物3D打印的理論背景和基本方面的見解，以加速軟機器人技術的發(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)到應用
期刊及發(fā)表時間：Military Medical Research （IF 21.1） 2023-08-22

應用方向：類器官

主要內容：近年來，在高度復雜的皮膚類器官的開發(fā)方面取得了重大進展。作為模擬人類皮膚的三維模型，這些類器官已經(jīng)進化成復雜的結構，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建成生理和病理模型，使皮膚發(fā)育和動態(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展的關鍵工作。此外，它還強調了由最先進的工程技術（如3D打印和微流感裝置）推動的類器官構建的最新進展。綜述和討論了皮膚類器官在發(fā)育生物學、疾病建模、再生醫(yī)學和個性化醫(yī)學等方面的應用，并對其前景和局限性進行了展望。

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打印技術的最新進展和未來發(fā)展趨勢。不僅強調了選擇正確的打印技術和材料對于3D打印在生物醫(yī)學中的成功至關重要，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)學打印材料。每一種3D打印技術都有其獨特的優(yōu)勢和應用場景，但也都有待進一步的研究和優(yōu)化。

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