3D 生物打印技术概述

3D 生物打印沉浸在 21 世纪。通过增材制造打印人体组织是一个令人难以置信的想法。

可以说是组织再生和组织工程医学的一大进步。

在过去的几十年中，该技术已被用于尝试创建模拟人体组织的功能性组织结构。

因此，生物3D打印可以终止药物动物和人体临床试验所涉及的漫长过程。

另外，它可能是器官移植过程中器官短缺的解决方案，因为组织排斥很容易失败。这一突破将结束全世界捐赠器官的绝望状态。以下是您需要了解的有关 3D 生物打印的所有信息。

什么是 3D 生物打印？

增材制造扩展了其在器官工程中的应用。该过程涉及分层（一层或另一层）构建器官或组织。它利用了自下而上的 3D 打印方法。

逐层方法确保您以模仿典型细胞结构的特定方式沉积原代细胞、仿生材料和其他材料。

因此，该过程导致合成组织或具有复杂天然组织的正常功能和结构的器官。

在 3 维生物打印中，您将生物分子和细胞打印到基板上，以形成特定的图案，将构建体固定在一起，形成所需的 3D 形式。请注意，3D 生物打印使用活的人体干细胞、组织等。

因此，您必须遵循与活组织有关的模式。这些方式包括细胞和材料的生物相容性、细胞对打印材料和方法的敏感性、灌注和生长因子的传递。

为什么生物打印组织可以在临床前试验中取代动物和人类

生物打印过程是自动化的。因此，这种自动化确保了精确的细胞模式和受控的细胞外通讯和组织。

此外，生物合成组织的逐层制造确保了打印的组织具有相互连接的孔隙。

因此，改善细胞间和细胞内通讯的生物打印组织或器官将是体内人体生理学的理想选择。

这一特征将使合成组织更好，因为它有助于在临床前试验中获得数据，也因为动物组织可能无法充分预测人类的病理生理反应。

3D 生物打印如何工作？

在人体中，组织会受损，并且每天都会退化。然而，您的组织再生能力可能不足以应对事故或心脏病等频繁的创伤。

随着时间的推移，治疗这些疾病取决于组织或器官移植。因此，整个过程存在免疫反应或移植排斥的风险。

在解决这两个问题时，3D 打印就派上用场了。

为什么？因为您需要一个器官，所以通过 3D 生物打印进行再生医学的目标是为您的干细胞提供您需要的器官或组织。然后，您将拥有不会吸引这些自身免疫反应的完美组织。

3D生物打印的概念涉及合成组织和器官的材料科学原理和人体生物学。

因此，主要焦点是恢复受损的器官或组织，如肝硬化或心力衰竭。因此，这个想法围绕着模拟组织的天然生物复杂性导致干细胞分化导致组织再生。

为什么选择 3D 生物打印而不是普通捐赠？

在通常的捐赠中，导致组织或器官排斥的过程是由细胞形成和连接间期等引起的。受血管内皮生长因子等生长因子的影响。

这个过程有些随机，不允许定制分布细胞外基质或细胞。另外，它的效率和时间都较低。从经济和后勤的角度来看，这种不利因素导致移植物在临床应用中不可行。

因此，增材制造有助于通过 3D 生物打印中自上而下的方法探索组织工程。

这种方法在沉积物质方面具有可控性，有助于产生精确的几何图形，使用计算机辅助设计在解剖学上是准确的。

三维生物打印的目的是什么？

根据 Allevi 3D 打印机，超过 120,000 名美国公民需要器官捐赠。

其他无数患者因移植后免疫抑制而患有慢性和其他终末期健康状况，而其他人则因长期损害而患有慢性病和其他终末期健康状况。

因此，增加的压力和对器官移植替代品的需求。增材制造帮助科学界和医学界组成了多学科研究人员、工程师和医生，以应对与人类健康相关的挑战。

三维生物打印是一种有望消除器官和组织移植等待名单的工具。此外，在药物开发中，生物打印可以更快、更低成本地进行与动物和人类生物学相关的药物临床试验。

例如，该装置可帮助外科医生连接静脉，减少并发症。 3D 打印还有助于提供更简单的药物输送系统。

令人惊讶的是，生物 3D 打印技术的进一步发展将使用患者的干细胞进行骨组织工程和皮肤组织、心脏组织、器官贴片或全器官置换。

3D 打印的目标是为医生和研究人员提供更好的目标治疗工具，从而改善结果。

3D 生物打印是什么时候发明的？

这个问题将我们带回到 1900 年代初发现点阵打印机时。

Charles Hall 的能够从数据中打印有形物体的 3D 打印机为所有爱好者和工程师打印不同的物体（包括组织和建筑物）奠定了基础。

然而，3D 生物打印始于 2000 年，当时有人创造了几乎符合患者特征的假肢和植入物。医学领域已经接受了 3D 打印和解剖建模的非生物用途。

2003 年，Thomas Boland 制造了第一台使用生物相容物质的生物墨水打印活组织的三维生物打印机。继2003年的突破之后，2006年第一个实验室制造的人膀胱成功植入，2009年第一个血管的生物打印成功。

3D 生物打印程序

三维生物打印策略围绕材料的精确分层展开。生物打印过程包括准备、打印和后处理阶段。

在准备阶段，您使用计算机图形设计 3D 模型。这些模型必须在解剖学上准确。

您还可以选择要使用的生物墨水。这种选择意味着您可以确定所需的肌肉组织或结构，从而选择正确的材料，包括哺乳动物细胞、内皮细胞或任何其他您需要的细胞类型。

第二步是选择添加材料，最后一步是使制造的结构成熟。

生物打印技术

您可以进行无支架或基于支架的生物打印。基于脚手架的模式; 矩阵包括制造过程中使用的层。这种生物材料基质图案化了生物墨水。因此，您可以使用载有细胞的水凝胶、薄膜或纳米纤维。

请注意：结果生物构造必须密切模仿典型的细胞外基质环境。这方面允许生物构建体的细胞增加和生长。

无支架生物打印需要将组织和细胞聚集体沉积为球体、圆柱体、蜂窝等。第二个过程是将组织球体放入移液管中，然后通过挤压将移液管沉积到 3D 生物打印机模具的有限空间中。

然后细胞形成它们的细胞基质，从而导致组织成熟；因此你消除了霉菌。

3D 生物打印有什么缺点？

连续喷墨生物打印中的污染风险：未在基材中偏转的生物墨水会再循环到您的打印机中。再循环可能会导致污染。

缺乏像不完善的软件这样的生物打印组件可以定义生物分子、生物材料和细胞放置。这种缺乏阻碍了 3D 生物打印操作。

在脚手架变形中，如果您不提供机械和结构支撑，您新形成的组织可能会失效。因此，您必须制造稳定的 3d 构造。

生物打印有多少种类型？

有几种 3D 打印技术可用于细胞外基质的制造和选择性图案化。它们包括：

• 喷墨打印
• 挤压印刷
• 激光辅助生物打印
• 立体光刻生物打印

基于喷墨的三维生物打印

喷墨生物打印在生物纸上使用生物墨水和活细胞。生物墨水是一种低粘度的生物材料悬浮液，而生物纸是聚合物结构、培养皿或水凝胶基质等生物材料。

您可以通过两种方式执行此技术。第一种方式是连续喷墨打印。在这里，您可以在对生物墨水施加压力时创建连续的液滴流。压力迫使墨水流出。

然后你施加一个电场，使生物墨水流偏转到基材中。排水沟收集未在流中对齐的多余水滴以供重复使用。

其次，您拥有按需喷墨生物打印技术。该操作类似于连续喷墨打印，不同之处在于您将按需生产液滴。因此，您将施加脉冲压力，而不是施加连续压力。

激光正向传输

激光诱导前向转移利用激光束将生物墨水沉积到基板上。该方法为三维打印提供了一种非接触式书写过程。

在这种方法中，您拥有三个重要元素，包括激光源（脉冲）、生物墨水涂层色带和受体基材。您可以使用具有纳秒脉冲的紫外激光作为能源。

最初，LIFT 使用高能激光脉冲通过直接沉积在透明基板上绘制金属特征。该技术扩展为 AFA-LIFT。

用于生物打印的吸收膜辅助 (LIFT)

在这里，您将在生物墨水和色带的界面上加入金属激光吸收层。该层充当牺牲层，保护您的细胞免受激光照射。

在这种技术中，您可以直接将细胞打印到细胞外基质上。此外，您可以在打印过程中将它们打印为封装件。

基于挤压的生物打印

挤出生物打印以两种方式完成：压力辅助生物打印和直接墨水书写。 DIW 需要一个气动挤压过程，其中 3D 生物打印机挤压材料生成逐层 3D 架构。

在压力辅助打印中，您将通过在设备屈服应力之上施加更高的应力来诱导流动。因此，您将释放剪切应力，生物墨水在将其涂抹在基材上后会恢复刚性。

SLA 3D 生物打印

SLA生物打印取决于生物相容性材料的高度而不是其复杂性。

该技术通过添加材料和投射光线，逐层构建复杂的组织。您将光线投射到可热固化和感光的生物墨水上。

光敏性是这里对生物材料的要求，因为该技术以光作为交联剂。因此，您必须包括可光固化的部分，如 PEG 衍生物。

卫生部门将 SLA 生物打印技术纳入成像技术，包括用于诊断假体改进的 MRI 和 CT 扫描。

该部门还使用它来实现复杂的手术。 SLA生物打印分为多光子打印和单光子打印两大类。

谁可以从 3D 生物打印中受益？

请注意，器官和组织生物打印需要更多年的研究。但我们可以预计，该工具将主要使哪些患者受益。以下是生物打印适用的领域列表。

• 皮肤组织生物打印
• 骨组织生物打印
• 软骨组织生物打印
• 心脏组织生物打印

什么是组织和器官的 3D 生物打印？

皮肤组织生物打印

人体皮肤是复杂的，具有皮脂腺、汗腺、头发和指甲等附属结构。你也有不同类型的细胞和神经末梢。胶原蛋白组织负责皮肤的弹性。

3D 生物打印可以打印人体皮肤，这需要通过四个步骤创建其所有属性来赋予其必要的机械性能。第一阶段是准备阶段，您从活检中获取皮肤干细胞，并将它们延伸到培养物中以制造生物墨水。

第二步是实际打印，然后是后处理，细胞会增加和成熟。

最后，您描述和评估皮肤组织的功能。因此，皮肤组织生物打印对于患有皮肤癌或皮肤病、烧伤以及皮肤老化和皱纹问题的人将大有帮助。

心脏组织生物打印

心血管疾病继续导致许多人死亡。常见的心脏病包括心脏骤停、心肌梗塞、心力衰竭、心绞痛、心肌病等。此外，动脉和静脉已出现狭窄等慢性病。

令人痛心的消息是心肌细胞是不可替代的，因为它们缺乏自动再生或修复过程。它们的持续死亡会增加胶原组织的生长，从而增加患心肌病的风险。在这些条件下，很难得到心脏供体。

但是通过 3D 生物打印，这些健康状况将是可控的。由于心肌的复杂性，心脏组织的生物打印具有挑战性，尤其是在实现其自身节律性方面。

软骨组织生物打印

软骨是覆盖骨端的光滑白色组织。它是由蛋白聚糖、胶原蛋白和蛋白质组成的复杂结构。

其突出特点是软骨组织无血管，神经和淋巴系统也达不到。

因此，一旦你不断受伤或造成创伤，你最终可能会患上骨关节炎或损伤。组织工程目前考虑通过在软骨组织生物打印中沉积聚乙烯和软骨细胞来分配这些生物因子。

骨组织生物打印

骨组织是一种高度血管化且结构复杂的组织。骨退化和骨折可能导致损伤和创伤，导致骨组织功能障碍或慢性骨缺损。

这些功能障碍和缺陷需要骨再生，这有助于恢复受损的骨组织。

骨组织工程利用水凝胶。 然而，水凝胶不能形成矿化骨基质。

因此，骨组织生物打印有望在可控化学和保持组织完整性方面取得更好的结果。

哪些材料可用于生物打印？

墨水必须具有您想要的生化特性，这将有助于将其沉积成指定的图案。为什么？

因为生物墨水促进细胞外基质相互作用以及细胞增殖和生长。此外，墨水必须具有生物相容性以支持所需组织的形态。

对于心脏和皮肤组织的生物打印，您需要类似的生物墨水。 您可以选择天然聚合物，如胶原蛋白、明胶、藻酸盐或透明质酸。

如果您更喜欢合成聚合物，您可以选择聚乳酸-乙醇酸、聚己内酯、聚乙二醇。此外，您可以选择合成和天然生物材料的混合物。

在选择骨组织生物墨水时，要考虑细胞特异性、功能性和细胞相容性。

可以使用明胶、羟基磷灰石；准备阶段用明胶，羟基磷灰石帮助打印的组织结构模拟天然骨组织。

总结

正如我们所知，3D 生物打印是一种有望彻底改变医学的工具。从心脏组织工程到打印骨组织结构，3D打印将帮助应对人类健康方面的巨大挑战。

总之，这些组织工程在心脏软组织、血管、软骨组织等方面的应用，将有助于解决捐赠等待名单，改善健康状况。

我们预计很快就会从传统的细胞生物学转向具有三维组织和器官的先进医学。