(二) 3D生物材料墨水

生物墨水is指位于 3D 或生物材料内ofcell或cell聚集体.in生物打印领域, 生物墨水指ofis载havecell, 生物材料墨水单纯指材料即无cell.因此, 构成生物墨水of生物材料must作forcell载体, 生物材料墨水can打印, 但只能in打印后播种cell. such as下图

3D打印材料作for承载cellas well as相关因子ofimportant载体, 材料must具havesuch as下of特点:

• 可打印性:即用于打印of材料mustcanin一定of时间内精确地沉积in所指定of空间内, 该性能直接关系到3D打印产品is否能取得期望of结构with尺寸精度;打印参数such as喷头尺寸, 会直接影响到材料内cell所受到of剪切应力及材料沉积形成3D结构所需of时间, need同时考虑对cell活性of保护能力;
• 生物相容性:从most初of要求材料be able towithtissue器官共存, 且不引起宿主任何不良of局部或系统反应, 发展到植入材料needwith宿主产生积极of相互作用, includingwith宿主tissueand／或免疫系统of相互作用, 以达到调控宿主cell, tissueand器官活性with功能of目of;生物相容性mainly受材料of化学组成, 结构形态(such as多孔结构／丝状结构), 表面特性(such as亲疏水性), 表面电荷as well as材料of力学性能, 物理化学特性etc.因素of影响;
• 力学stable性:材料具have一定of力学强度, be able to一定程度上抵抗外界作用力, 维持打印物of形貌结构, in3D打印构建tissue器官of相关research中, 应according to不同靶tissue器官(such as皮肤, 肝脏, 软骨, 骨etc.)所需of结构力学环境, 选用具have相应力学特性of打印材料;
• 降解特性:理想of生物打印材料, 植入体内后应当随着cellof增殖及cell外基质(ECM)of产生而逐渐降解, 且降解速率应当withcell产生ECM替换植入材料of速率, 及新tissue生成of速率相匹配, 同时降解产物should无毒. 易于代谢, be able torapid代谢排除体外;

• 仿生学特性:材料仿生学特性have利于刺激cell响应．in生物材料中掺入生物活性组分可对内源或外源cellof粘附, 迁移, 增殖及功能表达产生积极作用, 材料表面性质such as化学基团of修饰, 粗糙度, 亲疏水性, 微纳米结构etc.直接影响到cellof铺展形状, 分化过程, 运动, 取向, cell骨架of组装, 甚至iscell内部of相关信号通路.

1, 生物打印材料

用于生物3D打印of高分子材料可分for合成高分子材料withdays然高分子材料. 用于生物3D打印ofdays然高分子材料have三pcs突出特点:良好of生物相容性, 较差of机械强度andrapidof生物降解性. 经过几十年of探索, 常用of高分子材料of性质总结such as下表.

合成高分子网络由可重复of惰性单元组成. 它们usuallyin机械性能and免疫原性反应方面优于days然高分子材料. 常用of可生物降解合成聚合物including PLA, PGA, PU, PLGA and PCL. withdays然聚合物相比, 大多数合成聚合物明显优点including合成convenient, 资源丰富, 易加工, 耐压, 重量轻, 成本低. 其特点总结such as下表:

2, 多材料3D打印

材料in体外打印构建tissue器官时, 需起到保护支撑, 维持活性, 诱导分化, 引导新生as well as促使功能成熟etc.多重功能. 因此, 任何单一组分of材料都不可能兼具重构tissue功能所需of所have特性. develop多材料3D打印成for一pcs必然of趋势. 多材料比单一材料方法更好地复制其宿主微环境.

多组分生物墨水is指由两种或两种以上不同of生物材料混合而成of单相均质生物墨水.using多种材料打印, must考虑材料界面处of相互作用.较高of界面粘附力can提高生物打印结构of韧性and抗疲劳性. 但is, in多材料 (生物) 打印过程中, 将水凝胶with不同性质of材料 (尤其is弹性体and热塑性塑料) 结合起来具have挑战性15. 用于多材料打印of3D打印技术such as下图所示:

多材料打印技术:

1)单喷嘴生物打印技术

through一pcs喷嘴挤出不同of生物墨水仍然is多材料生物打印of形式. such as下图所示: 多储液器系统and混合器is两种most常见of相关方式. 混合器of作用is混合两种或多种不同浓度of生物墨水, 以促进多材料打印, 从而促进制造具have连续梯度特性of结构.

2)多喷嘴生物打印技术16

单喷嘴技术of一pcs缺点is (生物) 墨水in一pcs喷嘴中流动时存in交叉污染of风险. 多喷嘴多材料生物打印机with单喷嘴生物打印机相比, can以更快of速度and更大of构建体积制造更复杂of特征.

3)同轴生物打印技术

同轴喷嘴is一种用于生物打印多材料核壳结构of机制, such as血管结构, 异质微纤维and肿瘤模型. be able to制造具have成分and几何复杂性of中空结构. 同轴喷嘴especially适用于with交联剂混合后rapid交联of生物墨水. for example: 下图B中, CaCl 2用于内部喷嘴以离子交联生物墨水. 双层管状结构随后through紫外线再times交联以形成stableof结构. using这种设计, can一步连续改变形状, 尺寸and层数, 而无需更换喷嘴. 这些圆weeks多层构造可用作人体套管tissue模型.

3, 3D打印干cell

干cellis一类具have自我更新能力, 并能分化成其他类型cellof特殊cell, 而人体正常tissueof更新and修复withtissueSpecificity干cell密切相关, such as骨髓干cell, 胚胎干cell ( embryonic stem cells, ESC ) , 造血干cell, 内皮祖celletc.. 随着技术进步, 2007 年已实现人工将人of成年体cell经过gene重组技术culture成诱导型多能干cell ( induced pluripotent stem cells , iPSC )

干cell治疗特点:

① 治疗适用性强: 干cellcan从单pcscell分化成内胚层, 中胚层and外胚层所haveofcell, most终形成机体of所havetissueand器官, 其成品canin生物内环境中移植, 存活并保持长期stable. 因而其治疗范围理论上可涵盖人体任何tissue器官及相关疾病 (such as神经系统损伤, 免疫功能障碍, 器官衰竭, 美容, 断肢etc.) , in自体tissue器官移植方面have不可替代of作用;

② 获取容易: cell技术发展初期, cell来源往往局限于生物tissue甚至体内采集, 不可避免产生创伤及相应副作用, 随着技术发展, 干cellalreadycanthrough人工诱导获取, is目前免疫治疗andgene治疗ofmost佳载体.

③ 副作用少且效果持久: 干cell治疗isbe able to以患者自身ofcellfor基础, 制作相应of干cell并形成适用于疾病of治疗手段, in应用时减少了tissue相容性ofQuestion, 减低乃至消除了治疗, 移植过程中of排斥反应及using免疫抑制剂所产生of副作用, 且植入cell并非rapid消耗品, 其定植于体内后可产生持久of治疗效果.

目前cell打印in生物医学领域可应用of打印方案:

① 先打印出具have生物相容性of支架材料, 再将have活性ofcell, 干celltissue种植到材料上形成cell - 材料复合体, 然后将cell - 材料复合体植入tissue缺损部位, 支架材料in逐步降解of同时, 种植ofcell不断增殖, 生长, 形成cell间连接, 从而达到修复tissue缺损of目of;

② 将cellwith支架材料直接混合打印, 一pcs或多pcs打印喷头打印cell悬浮液, 另一pcs或多pcs喷头打印cell生长所需of支架 (微环境) , 其支架材料ofmainly成分is含水of生物凝胶, 逐层打印, 叠加形成 3D of多cell - 凝胶支架体系, most终用于治疗或移植. 活cellof打印可实现tissue器官结构及部分生物功能of重建, 而由于打印过程is由计算机控制cell排列, 两种方案in技术上均可in生物体内进行原位打印, such as原位软骨cell打印进行骨修复;

③ 新兴方案, 将cell预制成cell团, 打印时using临时of固定装置, such as微型探针etc.以预期打印结构for目标进行结构固定, 让cell团生长融合达到stable状态再去除临时固定装置, most终形成cell自行连接of紧密结构, 从而实现无支架ofcell打印.

生物3D打印技术is一种增材制造技术, 以打印生物活性物质for重点, 由计算机控制, 并with医学图像系统, 计算机辅助设计and计算机辅助制造工具相结合, be able to生成不同尺度ofpcs性化结构. 这种技术in高分辨率, 高精度and可Reproducibilityof精确空间位置打印多种生物材料, celland生长因子etc.生物化学物质, 从而制造复杂of三维生物结构. 以下is生物3D打印技术of要点:

1. 数字建模: 首先, need创建或获取目标tissue或生物结构of数字三维模型. 这pcs模型is生物3D打印of基础, 决定了most终产品of形状and结构.

2. 生物墨水或生物材料: 生物3D打印need特殊of生物墨水或生物材料, 这些材料canincludingcell, 生物聚合物, 生长因子etc.. 这些材料must具have生物相容性, 以确保构建oftissue或结构不会引起排斥反应.

3. 层叠打印: 生物3D打印adopting类似传统3D打印技术of逐层制造方法. 生物墨水或生物材料以精确of方式逐层堆叠, 以创建所需of三维结构. 这usuallythrough喷射, 挤出或光固化etc.方法实现.

4. 交联and生长: in层叠打印of同时, 生物墨水中ofcell或生物材料need适当of条件来促进交联and生长. 这可能needprovide适当of温度, PH值, 氧气浓度and其他环境因素来鼓励cell分化andtissue生长.

5. 生物打印equipment: 生物3D打印usuallyneed特殊of生物打印equipment, 这些equipmentbe able toprocess生物墨水或生物材料, 并确保它们以精确of方式堆叠and交联.

此外, 生物3D打印技术还have多种分类, such as喷墨式生物打印, 激光辅助式生物打印and挤出式生物打印etc., 每种技术都have其独特of工作原理and应用场景.