基于3D生物打印技术制备生物医用材料的研究进展

时间:2022-07-16 18:50:02  阅读:

材料成型优势,为病患提供了个性化、精准化构建生物医用材料的有效途径,在生物医用领域表现出极大的应用潜力。文章使用不同于常规3D打印技术的3D生物打印技术,充分考虑成型后的支架材料需要满足组织工程材料的性能要求。利用3D打印技术将生物材料、细胞及活性因子相结合构建支架材料,在结构和功能上实现了较好的结合,主要介绍了3D生物打印技术在生物医用材料构建中的研究进展及其应用,该技术将在今后的生物医用材料制备中发挥巨大作用。

关键词: 3D生物打印;生物材料;生物相容性;个性化;支架构建;应用价值

中图分类号: TS102.512   文献标志码: A   文章编号: 1001-7003(2019)06-0038-08   引用页码: 061107

Abstract: With its unique material molding advantages, 3D bioprinting technology provides an effective way for patients to construct biomedical materials in an individualized and precision way, showing great application potential in the biomedical fields. Different from conventional 3D printing technology, 3D bioprinting technology fully considered that the scaffold material after molding should meet the performance requirements of tissue engineering materials. Biomaterials, cells and active factors were combined to construct scaffold materials with 3D printing technology, and the scaffold materials well combined structure and function. This paper mainly introduced the research progress and application of 3D bioprinting technology in the construction of biomedical materials, which would play a huge role in the preparation of biomedical materials in the future.

Key words: 3D bioprinting; biomaterials; biocompatibility; individuation; scaffold constitution; application values

3D打印(3D printing)技术是指借助计算机通过层层堆积来形成三维实体的制造技术[1],它突破传统减材制造的原理,在不增加生产时间和成本的前提下能够实现传统技术无法制造的结构,全新开辟了数字设计空间,吸引了航空航天[2]、模具加工[3]、组织工程[4]等领域专家的目光,努力尝试3D打印技术的全新应用。在过去的几十年中,再生医学领域在制造功能性组织替代品方面取得显著进步,但制备精准且具有仿生特性的组织工程支架的能力仍表现出局限性。伴随3D打印技术的发展与渗透,在生物医用领域,目前已尝试采用3D生物打印(3D bioprinting)技术制造人工骨骼、人工皮肤、人工肾脏等人体器官[5]。

3D生物打印技术是基于计算机三维模型,并通过离散-堆积的方法[6],根据仿生形态、生物体的功能及细胞微环境等方面的要求,将生物材料或细胞打印出兼具复杂结构和功能的生物功能材料[7]。3D生物打印提供了前所未有的多功能性,可以共同传递细胞和生物材料,并精确控制其成分比例及空间分布精度,个性化和精准化是未来医学的发展趋势[8]。利用3D生物打印技术实现细节形状、结构和目标组织结构的个性化再现将成为今后医学的发展方向,3D生物打印技术也会在生命科学领域被广泛应用。

本文简述了3D生物打印技术在国内外生物医用材料中的研究现状,并对3D生物打印的不同方式及特点进行了归纳,分析了可以用于3D生物打印的生物医用高分子材料及特性,最后介绍了3D生物打印技术在骨骼、矫形外科、皮肤、软骨等生物医用领域的应用。

1 3D生物打印技术在国内外的发展现状

3D生物打印技术表现出低成本、快速并可以实现对患者进行特定复杂结构的按需设计和制造。2009年,韩国Kim等[9]使用微型SLA技术制备组织工程支架材料,并分析研究植入物的性能稳定性。2010年Oranovo公司利用3D生物打印技术首次打印人工动脉,进一步明晰了3D生物打印在生物医用领域中组织构建的作用,后期也通过动物实验证实3D生物打印用于器官移植的可行性[7]。英国Sawkins等[10]利用3D生物打印技术制备出力学性能稳定用于骨修复的支架材料,屈服应力达到1.22MPa。哈佛大学Kolesky等[11]利用3D生物打印技术制备具有异构细胞结构的人工血管。Lee等[12]制备出内径只有1mm的水凝胶状管道模型,Koch等[13]把混有细胞的胶原物质作为3D生物打印原料,探讨其用于皮肤再生的研究价值。

中国每年都会有将近百万因器官衰竭需要进行移植的病人[6],但供体数量有限,与需求数量相差甚远。3D生物打印技术提供了利用3D打印的方法构建人体所需器官,进行病损组织的替换,这为器官移植提供了非常大的空间[14]。在国内使用的大部分3D打印材料是国外进口,因此造成3D生物打印的成本更高,普及或是产业化推广都面临着一定的困难。清华大学徐弢等[15]将心肌细胞混入生物材料进行3D生物打印动物心脏,并发现细胞在构建体中能够跳动,揭示构建的器官有一定功能性。Hsieh等[16]以温敏生物材料中加入神经干细胞为原料,利用3D生物打印技术探讨构建体在中枢神经修复应用的可行性。3D生物打印技术需要综合考虑材料、细胞及影响细胞生长分化的因素,需要将生物材料学、细胞生物学、医学等学科进行交叉运用,相信通过国内研发团队的不断深入,3D生物打印技术将会为生物医用材料的研發发挥优势作用。

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