清華大學(xué)《AHM》再發(fā)綜述：從科幻到現(xiàn)實香到，3D打印重塑醫(yī)療未來
發(fā)表時間：2025-01-03 16:10:15 | 點(diǎn)擊率：24
來源： EngineeringForLife
隨著細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)從傳統(tǒng)的2D向復(fù)雜的3D模型的演變，人們對更精確地再現(xiàn)體內(nèi)細(xì)胞環(huán)境的追求不斷推動著技術(shù)的發(fā)展。盡管2D培養(yǎng)在生物學(xué)研究和藥物開發(fā)中發(fā)揮了重要作用，但它們往往無法復(fù)制人體內(nèi)復(fù)雜的細(xì)胞相互作用和生理反應(yīng)。因此竭讳，3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它能更有效地模擬細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）和天然組織的復(fù)雜細(xì)胞排列。然而欧舒，傳統(tǒng)的微組織工程尚未達(dá)到完全復(fù)制器官樣結(jié)構(gòu)的精度要求莱艺。
3D生物打印作為一種變革性的方法，提供了對微組織空間排列和機(jī)械性能的無與倫比的控制阐拭，從而解決了這一問題榄集。這項技術(shù)能夠通過生物墨水的詳細(xì)分層來制作具有組織樣3D結(jié)構(gòu)的微組織，允許直接構(gòu)建類器官并微調(diào)對組織成熟至關(guān)重要的機(jī)械力掺厦。此外苗率，3D打印設(shè)備為微組織提供了必要的指導(dǎo)和微環(huán)境，促進(jìn)了復(fù)雜的組織相互作用聚谁。盡管3D生物打印在微組織工程中的應(yīng)用前景廣闊母剥，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，包括生物墨水的開發(fā)形导、高分辨率血管化的實現(xiàn)以及打印結(jié)構(gòu)的生物活性和長期穩(wěn)定性等环疼。
針對現(xiàn)狀，清華大學(xué)的王韞芳以及柳娟團(tuán)隊聯(lián)合北京印刷學(xué)院的韓璐團(tuán)隊主要探究了3D生物打印技術(shù)在精密微組織工程中的應(yīng)用及其對再生醫(yī)學(xué)朵耕、疾病建模和藥物篩選等領(lǐng)域的影響炫隶。相關(guān)研究以“3D-Bioprinting for Precision Microtissue Engineering: Advances, Applications, and Prospects”為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。
圖1 本綜述主要關(guān)注點(diǎn)
2. 微組織工程的發(fā)展歷程微組織工程的發(fā)展歷程始于1993年窄悍，當(dāng)時Langer和Vacanti首次展示了組織工程的概念，這一概念隨后激發(fā)了微組織工程的發(fā)展磨夕，重點(diǎn)是創(chuàng)建用于精確生物應(yīng)用的微型功能性組織模型屯远。傳統(tǒng)的組織工程方法通常采用“自上而下”的策略，其中首先使用3D打印和其他技術(shù)創(chuàng)建組織工程移植物的結(jié)構(gòu)框架拖叙。隨后氓润，將高密度種子細(xì)胞和生物分子引入預(yù)形成的支架中，以生成用于修復(fù)受損組織的組織工程移植物薯鳍。在1995年，用于細(xì)胞培養(yǎng)的聚乙二醇（PEG）水凝膠為微組織工程提供了一個多功能的平臺挨措，使創(chuàng)建模擬天然組織結(jié)構(gòu)的受控3D環(huán)境成為可能挖滤，從而進(jìn)行更準(zhǔn)確的細(xì)胞行為研究。 在1998年浅役，隨著人類胚胎干細(xì)胞的首次建立斩松，它通過提供用于創(chuàng)建復(fù)雜功能性組織模型的通用細(xì)胞資源來徹底改變微組織工程，從而增強(qiáng)了個性化醫(yī)學(xué)以及對組織發(fā)育和疾病的理解觉既。圖2 微組織工程發(fā)展歷程
3. 生物墨水的選擇與開發(fā)生物墨水的選擇與開發(fā)是3D生物打印中的關(guān)鍵步驟惧盹。理想的生物墨水應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械完整性、生物相容性瞪讼、可調(diào)的生物降解性以及支持大規(guī)模生產(chǎn)的能力钧椰。當(dāng)前，主要使用的生物墨水包括基于細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的水凝膠和脫細(xì)胞ECM（dECM）基水凝膠殖祈。這些材料在調(diào)節(jié)細(xì)胞行為刻吵、促進(jìn)組織發(fā)育和疾病建模方面顯示出巨大潛力。此外粮戈，納米材料和生物活性分子也被整合到生物墨水中苦突，以增強(qiáng)其功能性和打印性能。盡管已取得顯著進(jìn)展亭圆，但生物墨水的標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化仍然是該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)街剂，需要進(jìn)一步的研究來改善生物墨水的打印性能和生物相容性。 圖3 生物墨水開發(fā)的基本步驟
4. 3D生物打印策略與關(guān)鍵技術(shù)3D生物打印策略與關(guān)鍵技術(shù)涉及多種打印方法和凝膠化技術(shù)柏豆。常見的3D生物打印策略包括激光輔助生物打印绎弯、立體光刻、噴墨生物打印和微擠壓打印等摸进。每種策略都有其特定的應(yīng)用場景和優(yōu)勢饰样，例如激光輔助生物打印能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的材料沉積，而微擠壓打印則適用于大規(guī)模生產(chǎn)。凝膠化方法如光引發(fā)聚合菲瓶、熱凝膠化怠褐、超聲凝膠化和物理凝膠化等，對于形成穩(wěn)定的3D結(jié)構(gòu)至關(guān)重要您宪。這些技術(shù)的優(yōu)化對于提高打印分辨率奈懒、細(xì)胞存活率和組織功能具有重要意義。此外宪巨，打印參數(shù)如生物墨水粘度磷杏、打印速度和能量輸入等也對打印結(jié)果有顯著影響，需要精確調(diào)控以實現(xiàn)高質(zhì)量的3D生物打印捏卓。圖4 3D生物打印策略
5. 精密微組織工程的應(yīng)用精密微組織工程在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用极祸，包括基礎(chǔ)細(xì)胞研究、疾病建模怠晴、高通量藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)等遥金。3D生物打印技術(shù)能夠構(gòu)建高度仿生的微組織，為研究細(xì)胞行為蒜田、組織發(fā)育和疾病機(jī)制提供了強(qiáng)大的工具稿械。在疾病建模方面，3D生物打印能夠重現(xiàn)復(fù)雜的人體組織微環(huán)境冲粤，用于模擬各種疾病狀態(tài)寿宅，如癌癥、肝臟疾病等船遣，從而支持個性化醫(yī)療和藥物開發(fā)卫糙。此外，通過高通量藥物篩選营慷，3D生物打印技術(shù)能夠加速新藥發(fā)現(xiàn)和評估過程慢荧，提高藥物研發(fā)的效率和準(zhǔn)確性。在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域朽慕，3D生物打印技術(shù)可用于制造復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)和器官松奖，有望實現(xiàn)受損組織的修復(fù)和再生。總之盹挑，精密微組織工程的應(yīng)用前景廣闊赃慰，有望為醫(yī)療健康領(lǐng)域帶來革命性的變革。圖5 精密微組織工程的應(yīng)用
6. 未來展望與挑戰(zhàn)盡管3D生物打印技術(shù)在微組織工程中顯示出巨大潛力假刘，但該領(lǐng)域仍面臨一些挑戰(zhàn)纪尊。 首先，生物墨水的開發(fā)是一個重要問題判哥，需要研發(fā)出具有更好生物相容性和打印性能的生物墨水献雅。其次，實現(xiàn)高分辨率的血管化對于提高打印組織的生存率和功能至關(guān)重要，但目前的技術(shù)在這一方面還存在不足挺身。此外侯谁，打印結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性和生物活性也是需要解決的問題。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)章钾，需要多學(xué)科的合作墙贱，包括材料科學(xué)、生物學(xué)和工程學(xué)等贱傀。未來惨撇，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，3D生物打印技術(shù)有望在個性化醫(yī)療府寒、再生醫(yī)學(xué)和藥物開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用魁衙，為醫(yī)療健康領(lǐng)域帶來革命性的變革。文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202403781
