从Review切入，多角度洞察生物3D打印前沿趋势

来源： EngineeringForLife

"生物墨水"，一种在3D打印领域正在崭露头角的科技工具，它为我们在模拟和复制特定的生物组织结构方面提供了前所未有的可能性。这项看似神奇的科技，体现了科研人员对生命科学无穷复杂性的独特理解和探索。近年来，生物3D打印技术的广泛应用和深入研究，标志着我们正逐步走向通过精确生物打印来解决健康问题的新时代。

目前，全球每年有数以千万计的人因病体组织损伤或丧失而寻求恢复和重建。试想一下，如果我们可以通过3D打印技术精确"打印"出匹配患者组织结构的生物替代品，那么这是多么令人振奋的前景！实际上，这种技术已经逐渐从科幻小说中走入现实。研究人员正在探索和实践使用3D打印技术制造个性化的生物替代品，这些替代品可以与患者的身体完美匹配，有助于快速恢复和重建健康。生物材料科学领域的突破，如生物活性水凝胶、生物陶瓷、生物兼容性高分子等，为生物3D打印提供了丰富的"墨水"选择。这些材料不仅能够满足复杂的生物打印需求，还能够携带并逐步释放生长因子和药物，助力恢复过程。此外，随着干细胞疗法和基因工程技术等领域的进展，我们对生物3D打印的认知和应用也将得到更深层次的拓展。

本期EFL为大家整理了近两年关于生物3D打印的10篇高质量综述，让我们一起来深入探索这个富有无限可能且充满创新成果的领域，并全面了解目前生物3D打印的最新材料和技术发展吧！

文献1：用于生物传感、分析和诊断的喷墨打印和3D打印策略

期刊及发表时间：Advanced Materials (IF 29.4) 2022-06-17

主要内容：喷墨打印和3D喷墨打印在各种设备制造中有着广泛应用。这些技术能够创造复杂的材料和设备，包括独立的传感器和自供电系统。更进一步，这些打印出的设备还能够通过远程连接与用户进行通信，极具潜力在物联网应用中发挥作用。该综述回顾了过去十年来相关印刷技术的发展，以及它们在制造先进传感平台和分析诊断传感器系统方面的多功能性。同时，全面展示了将喷墨和3D喷墨打印技术整合到设备设计、制造、定量和分析应用中的示例，证明这些技术的多功能性，并进一步激发对喷墨打印在未来发展中应用的探索和想象。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202105015

文献2：用于组织建模和再生的数字光处理（DLP）的（生物）打印策略

期刊及发表时间：Aggregate (IF 18.8) 2022-10-03

主要内容：生物3D打印能精确制造各种3D高分辨率物体，广泛用于创建模拟人体微生理环境的3D组织模型。其中，基于挤出的生物3D打印最为常用，主要通过挤出计算机辅助设计软件预设的3D结构的生物墨水来构建组织。然而，基于数字光处理(DLP)的3D生物打印技术可以通过使用各种光源，将液态聚合物材料转化为高分辨率、结构复杂的固态3D结构。本文对DLP生物打印进行了简要介绍，并进一步讨论了具有各种生物墨水的DLP（生物）打印机的设计和制造及其在药物筛选、疾病建模、组织修复和再生医学方面的生物医学应用；最后详细介绍了DLP打印平台的优势、挑战和前景。

原文链接：https://doi.org/10.1002/agt2.270

文献3：用于自由形式制造软物质的LL3DP打印技术

期刊及发表时间：Small (IF 13.3) 2023-01-20

主要内容：软物质3D打印中，液-液3D打印(LL3DP)方法已经成为一类新的3D打印技术。LL3DP方法属于基于油墨的3D打印，在这项技术中，墨水被挤压到液相中，同时平移台根据3D设计移动，将软材料塑造成复杂的结构。在液相中挤压油墨可确保形状保真度、结构完整性和最终结构的必要特征分辨率。本文将回顾这种新型LL3DP打印技术的研究，包括其基本原理、潜在机制、用于确保打印结构稳定性的各种表征技术，以及实用性能，同时探讨其未来的潜在应用路径。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202206524

文献4：3D打印软骨、骨和骨-软骨组织工程进展

期刊及发表时间：Small (IF 13.3) 2022-06-17

主要内容：组织工程旨在产生功能性替代品，以恢复或替换因损伤或疾病受损的组织。3D打印是一种增材制造技术，通过制造具有精确控制的成分，空间分布和结构的仿生组织结构，可用于制造组织工程替代物。3D打印活组织的临床转化在该领域取得了重大进展，特别是其在软骨，骨骼和骨-软骨再生方面的应用。对于转化组织工程，具有临床相关大小、结构和分层组织的3D组织构建体的再生仍然具有挑战性。本文概述了最近开发的用于临床转化的3D打印技术，并总结了这些方法在软骨，骨骼和骨-软骨组织再生中的应用。还讨论了3D打印技术的当前挑战和未来前景。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202201869

文献5：3D生物打印在心脏组织工程中的应用

期刊及发表时间：Theranostics (IF 12.4) 2021-11-16

主要内容：就发病率和死亡率而言，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项重大的临床挑战。心脏组织工程(CTE)是一种很有前途的修复心脏缺陷的方法，为心脏组织的研究提供了平台。生物3D打印因其能够在具有复杂3D结构的打印支架内集成多个细胞而备受关注，最近报道了生物打印CTE的许多进展。本文回顾了CTE的生物3D打印的最新进展。在简要概述了使用传统方法的CTE之后，讨论了当前的3D打印策略，介绍了基于各种生物材料的生物墨水配方，并进一步讨论了利用复合生物墨水的策略；此外，作者还总结了几种应用，包括心脏贴片、组织工程心肌和通过3D生物打印创建的其他仿生结构；最后还讨论了几个关键挑战，并提出了对CTE领域3D生物打印技术的进一步发展要求。

原文链接：https://www.thno.org/v11p7948.htm

文献6：3D打印纳米颗粒的机制与应用综述

期刊及发表时间：Small (IF 13.3) 2021-06-27

主要内容：目前先进的3D打印主要专注于材料的可制造性和工程应用，但依然存在打印分辨率和加工率低的瓶颈，特别是当纳米材料需要定制为不同规模时。一个有趣的现象是纳米颗粒将倾向于平行于打印头运动，从而导致沿打印线的优先定向从而增强了材料性能。本文全面总结了在完善的和内部定制的3D打印机制中实现3D打印的纳米颗粒排列，这些机制可以导致纳米颗粒的选择性沉积和优先定向。随后，列出了利用有序纳米颗粒特性的典型应用（例如，结构复合材料，热导体，化学电阻传感器，工程表面，组织支架和基于结构和功能性能改进的致动器）。本综述的重点是颗粒取向方法和包含取向纳米颗粒的复合材料的性能。最后，确定了当前3D打印技术的重大局限性以及未来的观点。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202100817

文献7：3D打印用于组织工程的光交联结构

期刊及发表时间：Biomaterials (IF 14.0) 2022-05-10

主要内容：在不同的3D打印平台中，基于光交联的3D打印技术（如数字光处理和立体光刻）已成为最受欢迎的技术，因为它们能够以更高的空间分辨率，可靠的图案保真度和高打印速度构建复杂的结构。本文综述了用于3D打印的光交联材料的最新进展，重点是其在修复受损器官和开发体外组织模型方面的生物医学应用。首先，概述了常用的光交联材料，以及如何改善这些材料的印刷效果。然后，总结了光聚合过程的多样化调控策略和3D打印参数，以提高打印结构的性能。最后从基于光交联的3D打印的技术和应用角度讨论了现有的挑战和未来方向。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121566

文献8：可穿戴（生物）传感器3D打印技术的最新进展

期刊及发表时间：Additive Manufacturing (IF 11.0) 2021-05-28

主要内容：通过新兴3D打印技术驱动的可穿戴（生物）传感器目前被认为是各种医疗保健应用的下一代工具，因为它们具有高拉伸性、超柔韧性、低成本、超薄和轻量等特性。本文重点介绍了3D打印技术在使用可打印的软质功能材料开发可穿戴应用的新型3D结构方面的贡献。此外，还总结了3D打印的过程以及主要技术，即光聚合、材料喷射和材料挤出。除此之外，作者还详细介绍了许多3D打印（生物）传感平台，如葡萄糖传感器、乳酸传感器、汗液传感器、应变传感器、触觉传感器、可穿戴血氧计、智能绷带、人造皮肤、纹身传感器、脑电图（EEG）、心电图（ECG）传感器等。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102088

文献9：纤维素纳米晶水凝胶的设计与制备策略及其在3D打印中的应用综述

期刊及发表时间：Carbohydrate Polymers (IF 11.2) 2022-11-17

主要内容：为了消除使用合成聚合物制备的水凝胶的潜在毒性和生物不相容性，研究人员倾向于使用生物聚合物设计水凝胶。在生物聚合物中，纤维素纳米晶（CNCs）因其晶须纳米结构、高轴向刚度、高拉伸强度和丰富的羟基而引起了研究者更多的兴趣。CNC可以为3D水凝胶提供增强的机械性能和设计功能，因此，基于CNC的复合水凝胶在生物医学，组织工程，致动器等领域具有广泛的应用。本综述从“仅CNC”水凝胶和基于CNC的水凝胶的设计原理开始，以说明CNC本身或与周围水凝胶骨架之间的相互作用。然后，详细介绍了被广泛应用的基于挤出的3D打印技术，用于制备和成型CNC基复合水凝胶，然后简要回顾了3D打印CNC基水凝胶在不同领域的应用。最后，讨论了CNC基水凝胶的局限性和未来发展方向。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120351

文献10：3D打印在伤口愈合中的应用：干细胞和抗生素的外部递送

期刊及发表时间：Advanced Drug Delivery Reviews (IF 16.1) 2023-04-15

主要内容：干细胞因其丰富的来源、多向分化能力和高增殖率而成为有前途的组织工程种子细胞。然而，将它们体外用于治疗皮肤损伤仍然具有挑战性。生物3D打印极大地丰富了细胞输送系统，通过该技术产生的支架可以精确定位在细胞内并执行抗菌作用。本文主要综述了3D打印在干细胞外递送和抗生素两个方面的应用，它们对应于皮肤再生的内部和外部因素，并重点介绍了使用新型伤口敷料改善皮肤伤口愈合的最新进展。

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

结语
本文汇编了自2021年以来在生物3D打印领域的10篇重要文献综述，各自从独特的视角展示了当前研究的主要焦点，主要包括不同3D打印技术在生物3D打印中的应用（见文献1、2、3）、3D打印在各个生物医学工程领域中的使用（见文献4、5、7、9、10）、关于3D打印纳米粒子的综合研究概览（见文献6），以及3D打印用于制造柔性可穿戴设备的相关研究综述（见文献8）。

这些角度全面地概述了目前生物3D打印领域的先进研究趋势和方向。通过技术的创新与进步，我们可以在原本受到自然界限制的领域中突破框架，模拟并优化生命现象。它鼓励我们不断推动创新边界，探索自然的深层机制，从而寻找解决复杂问题的新方法。此外，成功的生物3D打印需要材料科学、生物学、工程学、计算机科学等多领域的知识和技术，侧面也强调了跨学科协作的重要性。总的来看，3D打印技术在未来组织工程领域将大有可为！