影响呼应生物资料在生物3D打印技能的运用

发布时间:2022-06-05 10:49:51 来源:bobapp体育下载

  影响呼应性生物资料是生物3D打印的重要原资料,能为结构成形、细胞成长以及安排老练供给适合的物理化学以及生物学特性。近来,来自Responsive biomaterials for 3D bioprinting: a review

  该总述要点重视了近年来依据影响呼应生物资料的生物墨水在挤出式生物3D打印运用的重要发展。影响呼应生物资料的物理化学性质会在外界物理影响(如光照,温度,机械应力,电磁场),化学影响(如pH值, 金属离子),和生物学影响(如酶,代谢产品,细胞牵引力)等环境效果下发生可控的改变。相应的资料呼应包括物理/化学交联,键裂,流变性质改变,形状改变等。挤出式生物打印对生物墨水的剪切稀化、快速和可控胶凝和生物呼应性有特别的要求,因而影响呼应生物资料在墨水规划、打印结构快速成型和打印体生物活性等方面都有巨大的运用潜力。本文总结了生物3D打印范畴常用的影响呼应生物资料,并从可打印性、结构成型、细胞存活率和打印体生物活性的视点探讨了多功能呼应生物资料的运用战略。一起给出了生物墨水的首要制备规范和战略,包括单组分墨水,多组分墨水,动态墨水,纳米复合墨水。随后本文进一步评论了影响呼应性生物资料在生物3D打印的一些潜在运用,包括悬浮支撑打印、生物4D打印和打印药物开释载体。最终,本文从影响呼应生物资料研制制备和生物打印技能立异的视点,给出了未来立异性多功能生物墨水规划的发展方向。

  影响呼应生物资料依照资料来历和组分能够分类为:天然多聚物,组成多聚物和复合多聚物。天然多聚物获取途径包括动物,植物,藻类,微生物的发酵,以及酶促反响。依据化学结构,天然多聚物首要分为多糖,蛋白质和多聚核苷酸。由于其极高的生物相容性,天然多聚物在生物医药范畴有广泛的运用。组成聚合物能够经过光、热引发的一种或许多种单体的均聚物反响和共聚物反响聚合而构成。生物打印中常见的组成聚合物包括聚乙二醇(PEG),泊洛沙姆,聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm),聚乙烯醇(PVA),聚氨酯等等。组成的聚合物水凝胶一般具有清晰的化学结构、分子量和亲水性,能够准确操控它们的物理化学性质。复合多聚物是指结合了天然聚合物,组成聚合或许带有无机物或生物活性分子的高分子资料,用以完成对环境影响的特定或多重呼应。复合生物资料的首要长处是能够结合不同的特性并战胜单组分构成的约束。

  具有杰出可打印性的生物墨水能够顺畅地经过打印喷嘴,构成具有高度形状坚持才能的接连细丝,并能具有高度的结构完整性。评价生物墨水的可打印性首要办法包括定性描述、定量丈量以及模仿仿线)。影响生物墨水可打印性的要素是多方面的,包括资料特性(如粘度,剪切稀化,成胶速率,外表张力),以及打印条件(如挤出压强,打印速率,喷嘴标准,温度操控)。由于影响呼应生物资料在外界影响条件下具有可控的物理化学改变,因而在调控生物墨水可打印性上有重要的效果。表2列举了经过影响呼应生物资料的特性调控生物墨水可打印性的一般战略。生物墨水在挤出之后应当被当即交联以坚持结构的完整性和稳定性。由于影响呼应生物资料在剪切力,超声波,光照,温控,pH值,离子,等条件改变下能发生交联,因而在生物打印进程中调控影响条件是调控生物墨水可打印性的重要一环(图3)。

  在生物打印中,完成杰出的可打印性和高细胞存活性一直是一项耐久的应战,由于一些有利于可打印性的要素会对细胞存活率发生负面影响。例如高粘度对生物打印体的结构完整性和稳定性方面有很大助益,可是挤出高粘度的生物墨水所发生的高剪切力会导致细胞损害,固缩或核溶解。一些影响细胞的存活率的要素包括:生物墨水的资料特性(如流变性,粘度),打印参数(如打印速率,交联时刻,温度),以及细胞的品种等。因而,调理生物墨水组分,优化打印参数以维系高细胞存活率(大于90%)成为了生物打印运用中一项要害的进程。

  由于生物活性资料能够与细胞相互效果并引发特定的细胞反响(如增值,分解,搬迁),所以生物墨水的生物活性关于细胞培养和生物打印安排结构的老练至关重要。整体上,用于增强生物活性的战略包括:混合天然聚合物和生化因子(如成长因子、细胞因子和蛋白质),化学结合生物活性基序(如肽序列,成长因子)和脱细胞细胞外基质(dECM) 生物墨水的运用。

  依据影响呼应生物资料制作生物墨水遵从一系列生物墨水规划规范,包括可打印性,生物相容性,生物活性和机械性能。运用影响响生物资料规划墨水在整体上一共有四种战略:单组分墨水,多组分墨水,动态墨水,纳米复合墨水。单组分生物墨水依赖于具有恰当流变和仿生特性的单组分生物资料。与多组分墨水杂乱的成分和多呼应机制比较,单组分生物墨水具有更简略的可控性和打印进程,在某些情况下,这可能是生物打印的更好挑选。而多组分墨水在墨水规划中结合了多个影响呼应组分,能够整合不同生物墨水成分的优势。动态墨水的典型代表是制备能够自拼装构成超分子网络的生物墨水,这些生物墨水中的成分会构成非共价键和/或超分子结构,一般具有明显的的剪切稀化特性。纳米复合生物墨水包括纳米级成分,例如纳米纤维、纳米管、纳米颗粒和其他纳米资料。已有研讨证明,在墨水中增加纳米资料可发生超卓的剪切稀化特性、细胞呼应性和机械性能,适用于挤出式 3D 生物打印。

  3D 生物打印现已从打印生物相容性资料发展到打印用于安排再生和个性化医疗的依据活细胞和类器官的生物墨水。它是一种用于制作具有仿生杂乱性的生物模型的前沿技能。在曩昔的十年中,对结构杂乱、高分辨率和生物相容性的生物打印的需求导致人们在探究立异的生物墨水和生物打印战略方面付出了巨大的尽力。

  具有剪切稀化或触变特性的生物资料还被用作悬浮打印的支撑介质,然后用于传统生物打印无法打印的资料和结构。Lee 等人提出了一种悬浮水凝胶的打印战略(FRESH)来制作人体心脏组件。FRESH 是经过将胶原蛋白打印到由热呼应明胶微粒浆液制成的支撑浴中进行的。挤出的胶原蛋白在支撑介质的 pH 驱动交联后,在 37 °C 条件下明胶支撑介质能够被顺畅移除(图4A)。

  4D 生物从 3D 打印演化而来并将时刻作为第四维度引进。经过打印影响呼应生物资料取得的 4D 打印仿生结构会呼应外部或内部影响而发生形状改变。4D 生物打印技能能够制作杂乱的安排结构和对形状转化进行按需动态操控。Kirillova等人开发了一种4D生物打印自折叠管状结构的办法。由于在交联时打印体不同高度的资料光的吸收率不同,而发生交联梯度,2D结构在浸入水溶液后因膨胀系数的差异然后折叠构成管状结构(图4B)。

  由于影响呼应生物资料具有与生物环境沟通的固有才能,所以它们可用作药物的运送载体。这些“智能”生物资料能够经过溶胀/缩短、开裂键、外表改变和结构改变等机制呼应生物和病理信号。运送体系的受控药物开释是经过自我调理或经过外部或内部影响直接/渐进激活来完成的。Bozuyuk 等人打印了由甲基丙烯酰胺壳聚糖和超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPION)制成的微型游水设备(图5C)。运用双光子直接激光写入将墨水制成双螺旋几许形状。在旋转磁场存在时的,微型游水者能够以 3.34 ± 0.71 µm·s-1 的速度移动。化学治疗性阿霉素用叠氮化物被润饰并整合到光裂解分子的炔烃端。在用 365 nm 紫外光照耀后,衔接分子被切开然后药物满意开释(图4C)。

  在打印进程中可打印性与细胞存活率之间存在的不相容性仍有待处理。打印具有天然安排的杂乱性、机械性能和分辨率的打印体仍然是一项严重应战。咱们信任未来的研讨和开发有两条途径能够辅导生物打印技能的前进。第一个是依据现有的打印技能,将新式影响呼应性生物资料规划和制备成适宜的生物墨水。详细而言,生物墨水的开发应侧重于配方、交联机制、细胞相容性和生物活性。依据研讨老练的水凝胶体系制备复合生物墨水可能是生物墨水开发的快捷战略。一起,运用新式化学组成手法制备多功能呼应性水凝胶体系始终是开发用于 3D 生物打印的新式生物墨水的一种挑选。考虑到天然生物安排构成的动态进程,咱们想象具有动态粘弹性的呼应资料在 3D 生物打印中具有运用远景。另一条途径是运用生物资料的影响呼应特性开发立异性生物打印技能和战略。此外,应树立相关的可打印性评价办法,以完成生物打印成果的规范化。考虑到在生物打印相关参数和物理模型之间树立有用联络具有适当的难度,机器学习是一种强壮有用的东西,能够经过多种方法优化打印进程来改进生物打印成果,例如调整结构结构、调控可打印性和检测结构缺点。整体而言,咱们想象呼应生物或病理信号的生物资料在精准医学、药物运送、再生医学和安排工程运用中具有巨大潜力。

  图5 影响呼应生物资料在悬浮打印,生物3D打印和打印药物开释载体上的运用

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