從Review切入，多角度洞察生物3D打印前沿趨勢

來源： EngineeringForLife

"生物墨水"，一種在3D打印領域正在嶄露頭角的科技工具，它為我們在模擬和復制特定的生物組織結構方面提供了前所未有的可能性。這項看似神奇的科技，體現(xiàn)了科研人員對生命科學無窮復雜性的獨特理解和探索。近年來，生物3D打印技術的廣泛應用和深入研究，標志著我們正逐步走向通過精確生物打印來解決健康問題的新時代。

目前，全球每年有數(shù)以千萬計的人因病體組織損傷或喪失而尋求恢復和重建。試想一下，如果我們可以通過3D打印技術精確"打印"出匹配患者組織結構的生物替代品，那么這是多么令人振奮的前景！實際上，這種技術已經(jīng)逐漸從科幻小說中走入現(xiàn)實。研究人員正在探索和實踐使用3D打印技術制造個性化的生物替代品，這些替代品可以與患者的身體完美匹配，有助于快速恢復和重建健康。生物材料科學領域的突破，如生物活性水凝膠、生物陶瓷、生物兼容性高分子等，為生物3D打印提供了豐富的"墨水"選擇。這些材料不僅能夠滿足復雜的生物打印需求，還能夠攜帶并逐步釋放生長因子和藥物，助力恢復過程。此外，隨著干細胞療法和基因工程技術等領域的進展，我們對生物3D打印的認知和應用也將得到更深層次的拓展。

本期EFL為大家整理了近兩年關于生物3D打印的10篇高質量綜述，讓我們一起來深入探索這個富有無限可能且充滿創(chuàng)新成果的領域，并全面了解目前生物3D打印的最新材料和技術發(fā)展吧！

文獻1：用于生物傳感、分析和診斷的噴墨打印和3D打印策略

期刊及發(fā)表時間：Advanced Materials (IF 29.4) 2022-06-17

主要內(nèi)容：噴墨打印和3D噴墨打印在各種設備制造中有著廣泛應用。這些技術能夠創(chuàng)造復雜的材料和設備，包括獨立的傳感器和自供電系統(tǒng)。更進一步，這些打印出的設備還能夠通過遠程連接與用戶進行通信，極具潛力在物聯(lián)網(wǎng)應用中發(fā)揮作用。該綜述回顧了過去十年來相關印刷技術的發(fā)展，以及它們在制造先進傳感平臺和分析診斷傳感器系統(tǒng)方面的多功能性。同時，全面展示了將噴墨和3D噴墨打印技術整合到設備設計、制造、定量和分析應用中的示例，證明這些技術的多功能性，并進一步激發(fā)對噴墨打印在未來發(fā)展中應用的探索和想象。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202105015

文獻2：用于組織建模和再生的數(shù)字光處理（DLP）的（生物）打印策略

期刊及發(fā)表時間：Aggregate (IF 18.8) 2022-10-03

主要內(nèi)容：生物3D打印能精確制造各種3D高分辨率物體，廣泛用于創(chuàng)建模擬人體微生理環(huán)境的3D組織模型。其中，基于擠出的生物3D打印最為常用，主要通過擠出計算機輔助設計軟件預設的3D結構的生物墨水來構建組織。然而，基于數(shù)字光處理(DLP)的3D生物打印技術可以通過使用各種光源，將液態(tài)聚合物材料轉化為高分辨率、結構復雜的固態(tài)3D結構。本文對DLP生物打印進行了簡要介紹，并進一步討論了具有各種生物墨水的DLP（生物）打印機的設計和制造及其在藥物篩選、疾病建模、組織修復和再生醫(yī)學方面的生物醫(yī)學應用；最后詳細介紹了DLP打印平臺的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)和前景。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/agt2.270

文獻3：用于自由形式制造軟物質的LL3DP打印技術

期刊及發(fā)表時間：Small (IF 13.3) 2023-01-20

主要內(nèi)容：軟物質3D打印中，液-液3D打印(LL3DP)方法已經(jīng)成為一類新的3D打印技術。LL3DP方法屬于基于油墨的3D打印，在這項技術中，墨水被擠壓到液相中，同時平移臺根據(jù)3D設計移動，將軟材料塑造成復雜的結構。在液相中擠壓油墨可確保形狀保真度、結構完整性和最終結構的必要特征分辨率。本文將回顧這種新型LL3DP打印技術的研究，包括其基本原理、潛在機制、用于確保打印結構穩(wěn)定性的各種表征技術，以及實用性能，同時探討其未來的潛在應用路徑。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202206524

文獻4：3D打印軟骨、骨和骨-軟骨組織工程進展

期刊及發(fā)表時間：Small (IF 13.3) 2022-06-17

主要內(nèi)容：組織工程旨在產(chǎn)生功能性替代品，以恢復或替換因損傷或疾病受損的組織。3D打印是一種增材制造技術，通過制造具有精確控制的成分，空間分布和結構的仿生組織結構，可用于制造組織工程替代物。3D打印活組織的臨床轉化在該領域取得了重大進展，特別是其在軟骨，骨骼和骨-軟骨再生方面的應用。對于轉化組織工程，具有臨床相關大小、結構和分層組織的3D組織構建體的再生仍然具有挑戰(zhàn)性。本文概述了最近開發(fā)的用于臨床轉化的3D打印技術，并總結了這些方法在軟骨，骨骼和骨-軟骨組織再生中的應用。還討論了3D打印技術的當前挑戰(zhàn)和未來前景。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202201869

文獻5：3D生物打印在心臟組織工程中的應用

期刊及發(fā)表時間：Theranostics (IF 12.4) 2021-11-16

主要內(nèi)容：就發(fā)病率和死亡率而言，心血管疾病是全世界非常普遍的疾病。由于心肌死亡是不可逆的，因此挽救心肌缺陷仍然是一項重大的臨床挑戰(zhàn)。心臟組織工程(CTE)是一種很有前途的修復心臟缺陷的方法，為心臟組織的研究提供了平臺。生物3D打印因其能夠在具有復雜3D結構的打印支架內(nèi)集成多個細胞而備受關注，最近報道了生物打印CTE的許多進展。本文回顧了CTE的生物3D打印的最新進展。在簡要概述了使用傳統(tǒng)方法的CTE之后，討論了當前的3D打印策略，介紹了基于各種生物材料的生物墨水配方，并進一步討論了利用復合生物墨水的策略；此外，作者還總結了幾種應用，包括心臟貼片、組織工程心肌和通過3D生物打印創(chuàng)建的其他仿生結構；最后還討論了幾個關鍵挑戰(zhàn)，并提出了對CTE領域3D生物打印技術的進一步發(fā)展要求。

原文鏈接：https://www.thno.org/v11p7948.htm

文獻6：3D打印納米顆粒的機制與應用綜述

期刊及發(fā)表時間：Small (IF 13.3) 2021-06-27

主要內(nèi)容：目前先進的3D打印主要專注于材料的可制造性和工程應用，但依然存在打印分辨率和加工率低的瓶頸，特別是當納米材料需要定制為不同規(guī)模時。一個有趣的現(xiàn)象是納米顆粒將傾向于平行于打印頭運動，從而導致沿打印線的優(yōu)先定向從而增強了材料性能。本文全面總結了在完善的和內(nèi)部定制的3D打印機制中實現(xiàn)3D打印的納米顆粒排列，這些機制可以導致納米顆粒的選擇性沉積和優(yōu)先定向。隨后，列出了利用有序納米顆粒特性的典型應用（例如，結構復合材料，熱導體，化學電阻傳感器，工程表面，組織支架和基于結構和功能性能改進的致動器）。本綜述的重點是顆粒取向方法和包含取向納米顆粒的復合材料的性能。最后，確定了當前3D打印技術的重大局限性以及未來的觀點。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202100817

文獻7：3D打印用于組織工程的光交聯(lián)結構

期刊及發(fā)表時間：Biomaterials (IF 14.0) 2022-05-10

主要內(nèi)容：在不同的3D打印平臺中，基于光交聯(lián)的3D打印技術（如數(shù)字光處理和立體光刻）已成為最受歡迎的技術，因為它們能夠以更高的空間分辨率，可靠的圖案保真度和高打印速度構建復雜的結構。本文綜述了用于3D打印的光交聯(lián)材料的最新進展，重點是其在修復受損器官和開發(fā)體外組織模型方面的生物醫(yī)學應用。首先，概述了常用的光交聯(lián)材料，以及如何改善這些材料的印刷效果。然后，總結了光聚合過程的多樣化調(diào)控策略和3D打印參數(shù)，以提高打印結構的性能。最后從基于光交聯(lián)的3D打印的技術和應用角度討論了現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和未來方向。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121566

文獻8：可穿戴（生物）傳感器3D打印技術的最新進展

期刊及發(fā)表時間：Additive Manufacturing (IF 11.0) 2021-05-28

主要內(nèi)容：通過新興3D打印技術驅動的可穿戴（生物）傳感器目前被認為是各種醫(yī)療保健應用的下一代工具，因為它們具有高拉伸性、超柔韌性、低成本、超薄和輕量等特性。本文重點介紹了3D打印技術在使用可打印的軟質功能材料開發(fā)可穿戴應用的新型3D結構方面的貢獻。此外，還總結了3D打印的過程以及主要技術，即光聚合、材料噴射和材料擠出。除此之外，作者還詳細介紹了許多3D打�。ㄉ�物）傳感平臺，如葡萄糖傳感器、乳酸傳感器、汗液傳感器、應變傳感器、觸覺傳感器、可穿戴血氧計、智能繃帶、人造皮膚、紋身傳感器、腦電圖（EEG）、心電圖（ECG）傳感器等。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102088

文獻9：纖維素納米晶水凝膠的設計與制備策略及其在3D打印中的應用綜述

期刊及發(fā)表時間：Carbohydrate Polymers (IF 11.2) 2022-11-17

主要內(nèi)容：為了消除使用合成聚合物制備的水凝膠的潛在毒性和生物不相容性，研究人員傾向于使用生物聚合物設計水凝膠。在生物聚合物中，纖維素納米晶（CNCs）因其晶須納米結構、高軸向剛度、高拉伸強度和豐富的羥基而引起了研究者更多的興趣。CNC可以為3D水凝膠提供增強的機械性能和設計功能，因此，基于CNC的復合水凝膠在生物醫(yī)學，組織工程，致動器等領域具有廣泛的應用。本綜述從“僅CNC”水凝膠和基于CNC的水凝膠的設計原理開始，以說明CNC本身或與周圍水凝膠骨架之間的相互作用。然后，詳細介紹了被廣泛應用的基于擠出的3D打印技術，用于制備和成型CNC基復合水凝膠，然后簡要回顧了3D打印CNC基水凝膠在不同領域的應用。最后，討論了CNC基水凝膠的局限性和未來發(fā)展方向。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120351

文獻10：3D打印在傷口愈合中的應用：干細胞和抗生素的外部遞送

期刊及發(fā)表時間：Advanced Drug Delivery Reviews (IF 16.1) 2023-04-15

主要內(nèi)容：干細胞因其豐富的來源、多向分化能力和高增殖率而成為有前途的組織工程種子細胞。然而，將它們體外用于治療皮膚損傷仍然具有挑戰(zhàn)性。生物3D打印極大地豐富了細胞輸送系統(tǒng)，通過該技術產(chǎn)生的支架可以精確定位在細胞內(nèi)并執(zhí)行抗菌作用。本文主要綜述了3D打印在干細胞外遞送和抗生素兩個方面的應用，它們對應于皮膚再生的內(nèi)部和外部因素，并重點介紹了使用新型傷口敷料改善皮膚傷口愈合的最新進展。

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

結語
本文匯編了自2021年以來在生物3D打印領域的10篇重要文獻綜述，各自從獨特的視角展示了當前研究的主要焦點，主要包括不同3D打印技術在生物3D打印中的應用（見文獻1、2、3）、3D打印在各個生物醫(yī)學工程領域中的使用（見文獻4、5、7、9、10）、關于3D打印納米粒子的綜合研究概覽（見文獻6），以及3D打印用于制造柔性可穿戴設備的相關研究綜述（見文獻8）。

這些角度全面地概述了目前生物3D打印領域的先進研究趨勢和方向。通過技術的創(chuàng)新與進步，我們可以在原本受到自然界限制的領域中突破框架，模擬并優(yōu)化生命現(xiàn)象。它鼓勵我們不斷推動創(chuàng)新邊界，探索自然的深層機制，從而尋找解決復雜問題的新方法。此外，成功的生物3D打印需要材料科學、生物學、工程學、計算機科學等多領域的知識和技術，側面也強調(diào)了跨學科協(xié)作的重要性�？偟膩砜�，3D打印技術在未來組織工程領域將大有可為！