2023年生物3D打印都在做哪些研究？

来源： 医工融合转化

生物3D打印是一项引人入胜的前沿科技，其背后有着令人叹为观止的历史和科学背景。其发展根植于多个领域的交叉融合，为未来的医学、生物工程和生物学研究开辟了崭新的可能性。生物3D打印的背景可以追溯到3D打印技术的崛起。3D打印最早出现在20世纪80年代，它允许人们将数字设计转化为实体对象，如机械零件和原型模型。这为制造业带来了巨大的革命，但很快科学家们开始思考如何将这一技术应用于生物领域。

20世纪80年代末，3D打印作为一种新型的制造技术首次亮相；
90年代末，3D打印首次在医疗领域发挥作用，初期主要用于定制假肢；
2011年，荷兰老妪下颚骨用3D打印金属代替标志3D打印移植物开始进入临床应用时代

时至2023，生物3D打印已经取得突破性进展。生物3D打印的发展离不开对生物材料和细胞工程的深入研究。生物科学家们努力寻找适合打印的生物材料，包括细胞、细胞外基质和生物墨水，也研究如何控制这些生物材料的生长和分化以及在打印过程中形成复杂的生物结构。

作为一项快速发展的技术，其具有许多创新的应用领域，如个性化医疗、人工器官和组织模型、药物递送系统、传感和软体机器人等。为了让大家进一步了解3D打印在生物医学领域的应用，EFL为大家整理了2023年关于生物3D打印的9篇高质量综述，让我们一起来深入探索目前生物3D打印的最新的材料、技术和应用发展吧！

综述1：用于组织工程的异质结构多材料3D和4D生物打印
期刊及发表时间：Advanced Materials （IF 29.4） 2023-09-22

应用方向：组织工程

主要内容：基于离散材料逐层成形和堆叠原理的增材制造（AM）在组织工程（TE）复杂植入物的制造中显示出显著的优势。然而，许多天然组织表现出各向异性的异质结构，具有不同的成分和功能。因此，使用基于单一材料的传统AM工艺来成型复杂的仿生结构具有挑战性。多材料3D和4D生物打印（以时间为第四个维度）已经成为一种可能的解决方案，用于构建具有异质结构的多功能植入物，可以比单一材料更好地模拟宿主微环境。本文介绍了仿生异质结构在TE应用中的典型设计策略，讨论了异质组织结构的多材料3D和4D生物打印的最新工艺，特别强调了智能多功能组织结构的多材料4D生物打印的潜力。

原文链接：https：//doi.org/10.1002/adma.202307686

综述2：聚合物复合材料的3D打印制造可穿戴传感器：全面回顾
期刊及发表时间：Materials Science and Engineering：R：Reports （IF 31.0） 2023-05-13

应用方向：可穿戴传感器

主要内容：可穿戴传感器在医疗保健系统、人体运动检测、机器人和人机交互等领域的应用引起了人们的极大关注，而这些应用需要可拉伸、柔性和非侵入性的材料。聚合物复合材料现在处于研究的前沿，有潜力制备出创新的可穿戴传感器。3D打印技术可用于获得高度定制和可扩展的聚合物复合材料，以制造可穿戴传感器，这对于传统制造技术来说是一项具有挑战性的任务。本文综述了常用的导电纳米材料和3D打印技术在制备可穿戴设备中的应用前景。随后，讨论了3D打印可穿戴传感器的研究进展、传感机制和性能，如应变、压力、温度和湿度传感等。此外，还重点介绍了新型3D打印多功能传感器，如多向、多模态、自修复、自供电、原位打印和超声波传感器。阐明了今后研究发展面临的挑战和趋势。

原文链接：https：//doi.org/10.1016/j.mser.2023.100734


综述3：3D打印在伤口愈合中的应用：干细胞体外输送和抗菌
期刊及发表时间：Advanced Drug Delivery Reviews （IF 16.1） 2023-04-15

应用方向：伤口愈合

主要内容：随着全球慢性伤口患者数量的增加，患者的经济负担和社会压力日益增加。干细胞因其来源丰富、多向分化能力强、增殖速度快等特点而成为组织工程种子细胞。然而，将它们用于皮肤损伤的体外治疗仍然具有挑战性。此外，伤口部位和环境的细菌可以显著影响伤口愈合。在过去的十年中，3D生物打印极大地丰富了细胞传递系统。该技术制备的支架可以在细胞内精确定位，并具有抗菌作用。这篇综述总结了基于生物3D打印的干细胞体外输送及其抗生素对伤口愈合的促进作用。

原文链接：https：//doi.org/10.1016/j.addr.2023.114823

综述4：用于生物医学应用的生物功能化3D打印结构：对最新进展和未来前景的批判性回顾
期刊及发表时间：Progress in Materials Science （IF 37.4） 2023-03-30

应用方向：功能化生物材料

主要内容：目前革命性医疗保健的最大趋势之一是引入先进的增材制造技术，也称为3D打印，用于个性化，可再生和可获得的治疗。由物理信号和生化信号控制的生物活性对这种广泛的新兴治疗至关重要。这篇综述批判性地研究了目前用于将生物分子固定在3D打印结构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关考虑因素，并确定了常见的共同要求。在材料、生物分子、细胞、其他固定方法和进一步应用方面，探索了扩展和改进的机会。

原文链接：https：//doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101124

综述5：用于个性化骨保健的再生生物材料的设计、印刷和工程
期刊及发表时间：Progress in Materials Science （IF 37.4） 2023-01-16

应用方向：骨组织工程

主要内容：随着全球老龄化的发生，与创伤和疾病相关的骨骼缺陷和疾病正困扰着数百万人。最近，增材制造（AM）和骨组织工程（BTE）的融合开启了一个“个性化骨保健”时代，“设计”，“打印”和“工程”输入以产生定制的3D架构（生物）支架，根据相关的AM范式，以解决宿主组织的生物/病理复杂性。本文对该领域的基本理论、范例、生物材料或墨水的选择、不同类型的3D打印最新进展和未来趋势等进行了系统的综述。本综述可为下一代骨保健用AM生物材料的设计、开发和应用提供有益的指导。

原文链接：https：//doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101072

综述6：通过3D打印实现生物医学应用的可定制微针的设计和制造
期刊及发表时间：Bioactive Materials （IF 18.9） 2023-10-12

应用方向：可定制微针

主要内容：微针（MNs）是一种利用10 ~ 1000 μm长度的针头，作为治疗、疾病监测、诊断等各种程序的微创技术的新兴技术。常用的微成型制造方法具有可扩展性的优势，然而，微成型无法实现尺寸、几何形状和结构的快速定制，而这些是决定纳米网络功能和功效的关键因素。3D打印提供了一个可能的替代方案，使MNs制造具有精确应用所需的高精度尺寸，从而提高了性能。此外，由于其可定制性和一步流程，3D打印的MNs具有良好的增长潜力，特别是在个性化和按需医疗设备领域。这篇综述概述了设计纳米颗粒时需要考虑的关键参数，介绍了制造新一代纳米颗粒的各种3D打印技术，并强调了3D打印纳米颗粒在生物医学应用方面的进步。最后，本文对3D打印机器的未来前景提供了一些见解，特别是其在进入市场方面的进展。

原文链接：https：//doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.09.022

综述7：光聚合生物打印
期刊及发表时间：Nature Reviews Methods Primers （IF 39.5） 2023-06-22

应用方向：光固化生物打印的广泛应用

主要内容：光聚合生物打印可以使用充满光活化生物树脂的容器(vats)，以点对点、层对层或体积的方式对3D细胞负载结构进行计算机辅助打印。这一系列技术——按其操作模式分为立体光刻、数字光处理和体积增材制造——在过去的几十年里得到了广泛的发展，在生物医学领域得到了广泛的应用。本综述从硬件，软件和生物树脂选择的角度说明了光基树脂聚合3D生物打印的方法，随后讨论了这些技术的方法变化，包括它们的最新进展，并详细说明了用于确保生物打印程序和产品质量的关键评估。最后，对基于光的聚合方法的未来方向提供了见解。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s43586-023-00239-6

综述8：用于软体机器人的3D打印PEDOT:PSS
期刊及发表时间：Nature Reviews Materials （IF 83.5） 2023-08-24

应用方向：软体机器人

主要内容：软机器人技术是一门新兴的技术，需要导电材料具有固有的高顺应性来感知，控制或驱动。聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）是一种柔软柔韧的导电聚合物，具有可调的机械性能，混合离子和电子导电性和优异的加工性能。将PEDOT:PSS与先进的3D打印相结合，在软材料工程和软机器人领域迎来了前所未有的机遇。本文提供了对导电聚合物3D打印的理论背景和基本方面的见解，以加速软机器人技术的发展。

原文链接：https：//doi.org/10.1038/s41578-023-00587-5

综述9：生物工程皮肤类器官：从开发到应用
期刊及发表时间：Military Medical Research （IF 21.1） 2023-08-22

应用方向：类器官

主要内容：近年来，在高度复杂的皮肤类器官的开发方面取得了重大进展。作为模拟人类皮肤的三维模型，这些类器官已经进化成复杂的结构，并且由于它们能够克服二维系统的局限性和伦理问题，越来越多地被认为是传统培养模型和人类皮肤的有效替代品。皮肤类器官固有的可塑性允许其构建成生理和病理模型，使皮肤发育和动态变化的研究成为可能。本文综述了从三维层状表皮到具有附属物的囊肿样皮肤类器官进展的关键工作。此外，它还强调了由最先进的工程技术（如3D打印和微流感装置）推动的类器官构建的最新进展。综述和讨论了皮肤类器官在发育生物学、疾病建模、再生医学和个性化医学等方面的应用，并对其前景和局限性进行了展望。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s40779-023-00475-7

这些综述从不同的角度和领域，如组织工程、可穿戴传感器、伤口愈合等，展示了3D打印技术的最新进展和未来发展趋势。不仅强调了选择正确的打印技术和材料对于3D打印在生物医学中的成功至关重要，还指出了亟待解决的问题，如增加打印速度、提高分辨率、精度，以及寻找新的生物医学打印材料。每一种3D打印技术都有其独特的优势和应用场景，但也都有待进一步的研究和优化。

我们希望这些文章能激发更多的思考和探索，推动3D打印技术在生物医学领域的更广泛应用和发展。未来，我们期待看到更多创新的研究和技术突破，以更好地服务于人类健康和医疗事业。