文摘
组织工程师们已经取得了很大的进步在过去的十年中,由于三维(3 d)生物打印技术的出现,已允许他们创建高度定制的生物结构和精确的几何设计能力,让我们关闭之间的差距和自然组织生产。在这项工作中,我们首先调查最先进的方法、细胞,为3 d生物打印材料。现代的使用这种方法在组织工程简要地讨论了。之后,3 d生物打印的主要好处在组织工程中深度,包括快速的获取个性化的能力结构和工程师一个高度可控的微环境的能力。最后,我们提供一些预测的未来3 d生物打印在组织工程领域。
1。介绍
组织工程一直被应用在治疗设置为了解决供体器官短缺的问题。最终,组织工程的目标是生产功能性组织,可以用来取代受伤的组织(1]。
组织修复和再生,再生医学的历史上一直由于缺乏适当的技术。研究人员总是试图完美的人工组织可以代替自然的希望有一天,他们可以使用在临床实践2]。
三维(3 d)印刷成为一个加法制造过程在过去的几十年里,它已经看到再生医学领域的快速发展。随着3 d生物打印技术的出现,我们现在有机会创建人工组织功能和看上去就像自然的(3]。通过这种方法,使用3 d细胞种类材料分层结构计算机辅助设计方法。由于纳米技术领域的发展,细胞生物学、材料科学与工程3 d生物打印是找到越来越多的使用在组织工程(3,4]。目前有三个为3 d生物打印技术利用:喷墨生物打印,挤压生物打印、激光生物打印。的主要好处在组织工程中使用3 d生物打印是它允许细胞的层次和空间分布,水凝胶,根据预定的3 d功能活性物质。培养的细胞粘附、发展、细胞信号和气体和传输的营养都是多孔的推动,网络3 d-bioprinted材料的性质。更传统的方法相比,这可以帮助组织再生很长一点(4- - - - - -7]。此外,大量的研究基于3 d生物打印(图每年出版发生1)。
生物打印技术应用于组织工程是本文的主要话题。本文阐述了大量的组织生物打印可以用来制造组织,强调它在组织再生中的作用。此外,这种可能性,挑战,创建一个框架,用于组织再生的优点突出显示。在本文中,我们将讨论各种3 d生物打印在组织修复中的应用。
2。生物打印技术
增长的3 d领域生物打印使用计算机模拟来准确地开出的3 d系统体外活细胞。类似于快速原型方法或加法制造,它涉及建立一个组织或器官在层1,4]。
多个3 d打印方法已经成熟因为他们的《盗梦空间》。Microextrusion成型、激光烧结和stereolithographic已经取代了喷墨印刷的主要制造技术。最受欢迎的类型的3 d印制技术将在下面详细讨论(图2)。
2.1。Inkjet-Based 3 d生物打印
几滴床单可以使用喷墨打印机打印出来的3 d模型。少量的低粘度bioink (1 - 100 pl)沉积到衬底的喷墨水凝胶中3 d打印(8]。这些方法,thermal-induction喷墨印刷包括加热液体滴与热致动器之前将他们驱逐出境的高速打印头。喷墨打印的沉积方法可以成功的材料塑造成所需的表单(图3)。解决方案可能会交付给喷嘴在精确的数量,这是一个明显的优势。然而,这种方法有一定的局限性,如要求使用的生物组件以液滴形式。第二个挑战是喷墨打印机的最大材料粘度(8- - - - - -10]。
2.2。Microextrusion 3 d生物打印
水凝胶纤维放置在一个表面在microextrusion生物打印通过喷嘴,利用软件扩散系统,采用针、阀门、液压压力。挤压生物打印工作,bioink利用必须高度粘性和交联,以便打印对象保留了其3 d形状(图4)。挤压生物打印提供了几个优势其他3 d印刷方法,包括更大的印刷精度,印刷速度快,印刷的能力与更广泛的材料。挤压在喷墨生物打印印刷技术有一个明显的好处:它可以采用更广泛的bioinks。因此,挤压印刷是普遍的组织生物打印技术。细胞脱水和缺乏营养后印刷和印刷精度限制,和静摩擦片细胞的生存能力可能受到飞机表面上的物质(1,4,11]。
2.3。激光三维生物打印
脉冲激光用于激光生物打印的过程。这导致压差,进而推动基材细胞从原始印刷媒介“丝带”在收到材料。由于缺乏喷嘴,采用激光辅助生物打印从未经历喷嘴相关技术问题,也不是剪切应力引起的损伤和死亡的细胞,它可以发生一次飞机的大小非常小,bioink过度粘度;因此,这种方法的兼容优势有机物质的粘度(图5)。高空间分辨率进一步利用激光辅助生物打印。高细胞密度可以打印使用这项技术,允许更精确的监管和信息交互和更详细的高清打印。然而,很少用于组织工程,由于高昂的花费必要的硬件和软件(12,13]。
2.4。Stereolithographic-Based 3 d生物打印
为了故意交联bioinks使用过程,涉及层,stereolithographic生物打印利用紫外线。通过战略指导紫外线,我们可能发挥无与伦比的控制高分子的交联,从而刺激组织的形成(图6)。Stereolithographic印刷有几个好处,包括高分辨率(100米)和高细胞生存(> 85%)。像激光打印,这种方法不需要喷嘴;因此,堵塞喷嘴并不是一个问题。由于所需的光聚合能力强,但是,只有少数bioinks可能使用。紫外线辐射,这是用于传统stereolithographic生物打印,可以破坏细胞和可能引发突变。这个问题已经被解决通过小说bioink可交联照明和细胞附件,显著提高细胞生存能力和具有重要应用领域的生物打印和组织再生14,15]。
2.5。Bioinks为3 d生物打印
支持结构材料、培养细胞和生物活性分子,可打印器官和组织的庞大数量,都是常见的bioink组件,3 d印刷的核心组件。改进的3 d印刷适性和生物相容性的只有两个当今一代bioinks提供的许多好处。剪切稀化能力,在互穿网络,发现纳米复合材料、超分子水凝胶,例如,允许他们之前在bioinks绕过这一障碍。这些生物功能可以大大提高了其他发展中油墨,如含有官能团和纳米粒子与生物活性功能(16,17]。近一百种不同的转基因生物材料bioinks目前正在使用。
2.6。仿生组织再生使用3 d生物打印技术
恢复、维护、改进和更换各种生物组织都可能通过组织工程、细胞的应用,工程材料技术,和适当的生化参数。应用程序为3 d生物打印技术在组织工程有不同的功能和特性可以发现整个医学领域(18]。
2.6.1。骨组织
骨组织,组成脊椎动物的骨骼,是一个僵硬的器官,具有多方面的作用,包括提供保护身体的内部器官,细胞生产、矿物存储,等等。骨头是硬组织的一种形式,它由致密结缔组织的内部蜂窝似的矩阵,使骨硬。水凝胶支架已经吸引了人们的注意,因为可用的配置以及他们的特征可以调整19]。
为了创建物理钢化和长期稳定photo-crosslinkable水凝胶支架,Poldervaart et al。20.)修改了本地自然透明质酸用最小的生物相容性。辐射的水凝胶紫外辐射增加了动力压缩和杨氏模量,这两个指出水凝胶稳健增长。造血干细胞与骨的生物相容性实验研究间充质基质细胞为3 d生物打印证明了定制的支架可以由剑透明质酸水凝胶,因此将帮助促进骨骼生长。
测试后的疗效bioinks仅包含纤维胶原凝胶和bioinks含有血清干细胞,骨骨髓来源干细胞和胶原纤维治疗伤口,前者被发现优越的伤口收缩和内皮细胞更新。微脉管密度和毛细管广度越来越在羊水干细胞比骨髓干细胞cell-treated伤口。愈合和血栓可能是由于细胞分泌营养,细胞间通讯系统,观察荧光染料细胞后14天显示打印的呆在一个开关周期,这意味着他们不是无限期地纳入组织(21]。
人类间充质干细胞的扩张和骨整合得益于Tan et al。”年代增效剂的使用3 d生物打印使用超声波脉冲短的波长。支架与定制架构印刷使用光学介导有限元(SLA)生物。为了刺激细胞粘附、生长和增殖,结果表明,多孔连接支架应该受到超声波的短脉冲波长在1.5 MHz的频率和占空比为20%,强度150 mW厘米2。这些独特的方法也证实相结合的可行性和有效性与3 d超声生物打印增强细胞活性,特别是对微胶囊在打印的支架18]。
为了提高表面的相互作用,研究小组创建了胶原蛋白水凝胶由2 d岛状硅酸盐,从本质上说,他们是纳米材料有极高比例的异质性和功能尽管他们令人难以置信的薄结构。水凝胶含有nanosilicates增强成骨分化在缺乏论述代理和四倍的压缩弹性高于collagen-only水凝胶(图7)。研究结果表明,单硅酸盐类功能生物活性因子促进骨再生通过增加其强度特性和渗透性,以及其他福利(22]。
一个研究小组(23]发达图像引导bioamendment方法使用普朗尼克f - 127细胞托运人来提高细胞生存和加速骨的骨整合间充质干细胞与rhBMP4水凝胶结构和成骨分化。结果表明photo-biomodulation是一个很好的候选人指导和加速骨组织工程。
2.6.2。软骨组织
软骨是一种结缔组织,没有自己的血液供应或中枢神经系统。软骨细胞是一种特殊的细胞,可以发现。矩阵扩散的营养是延迟,因为没有直接动脉血液携带的营养细胞(24]。
最近的研究采用透明质酸水凝胶的混合物,然后插入无毛小鼠的皮肤下。多个时间点后,植入受到组织学、免疫组织化学、力学分析、控制研究相比,植入有良好的机械加工性,表明体内细胞和水凝胶混合物可以创建like-cartilaginous组织(25]。
阮et al。26)就变成了两个bioinks: nanofibrillated纤维素含有海藻酸(NFC / A)和nanofibrillated纤维素含有透明质酸与诱导多能干细胞(iPSC)。在文化设定的时间后,在显微镜下可见软骨组织,证明NFC / bioink优越在iPSC生物打印,因此作为软骨再生的宝贵的资源。虽然海藻酸水凝胶是早期研究中常用的适用性作为整合素的物质,材料表现出可怜的机械品质由于其固有的极大的灵活性和脆性。
结构元素高细胞的生存能力和可靠的机械品质调查Rhee et al。27),与fibrochondrocytes制造胶原蛋白水凝胶使用他们的人。人类鼻软骨细胞用于nanofibrillated cellulose-alginate水凝胶载体创造人类还有建筑,这些显示高细胞存活率(86%)体外培养7天后,证明nanocellulose-based bioink适合3 d生物打印。研究表明,nanocellulose-based水凝胶可能用作支持材料在创建组织生活,例如,阿维拉et al。28)结合nanocellulose-alginate-based水凝胶和人类鼻软骨细胞创建耳软骨类似物。
聚丙二醇的组合(PG)和HA bioink导致更大的细胞存活和分化bioink相比只包含PG。作为一个三维支架材料,石墨烯氧化物(去)已经被用来支持再生软骨和促进交通重要的生长因子。软骨胶原蛋白的表达我是显著调节组织之间的边界和一个3 d打印的软骨支架用于生产矩阵(29日]。
2.6.3。皮肤组织
人类皮肤由几层和拥有许多不同的细胞类型和功能单元,包括汗腺和血液的动脉。皮肤的主要角色是作为感觉器官和散热器。当皮肤保持温和,局部损伤,人体可以自行修复伤口,生产角蛋白和纤维蛋白原,但在更严重的情况下,皮肤移植是必需的(30.]。
主要皮肤损伤是常见的在日常生活中,创建一个全球对皮肤组织的替代品的需求。通过沉积角化细胞,黑色素细胞,成纤维细胞和创建合适的可生存的环境类似于真正的皮肤组织,Ng et al。31日)创建一个3 d层多孔结构体外。这些结果表明,3 d-bioprinted肌理,与颜色的皮肤结构由标准的方法,比较自然皮肤相似的方面发达多层。通过使用一个气动控制生物,李et al。32]表明,人类皮肤祖细胞和上皮组织培养在仿生层表皮通过3 d印刷可能皮肤修复。类似的原位修复烧伤创面皮肤打印机是由Seol et al。33]。
他们使用这个皮肤打印机有效分发角质细胞和纤维母细胞受伤的猪皮、和结果表明,上皮细胞再生和伤口愈合快。在伤口治疗的一项研究中,Skardal et al。21)包含仅仅bioink纤维胶原凝胶相比,合并后的集团愈合伤口,以更快的速度再生上皮。血清中微循环完整性和微血管密度越来越干细胞比骨髓间充质干细胞cell-treated cell-treated伤口病变。2周后,荧光生物打印延长寿命短暂,表明他们没有完全纳入组织。这说明伤口愈合和脉管系统是由细胞营养,细胞间的相互作用。
使用相同的两种类型的细胞和激光辅助生物打印方法,迈克尔et al。34)开发了一个完全cellularized替代评估的背侧皮肤褶皱商会无毛的老鼠。一旦移植都准备好了,他们被插入到全层皮肤伤口和左11天。这证明了成功的3 d细胞结构的生物打印laser-bioprinting和体内组织发展。结果证明使用激光辅助生物打印创建3 d的可行性的多细胞结构。
Stereolithographic生物打印被朱et al。35)使用小鼠神经干细胞创建神经结构,nanoplatelets明胶甲基丙烯酰胺水凝胶,石墨烯。2周后,观察神经元分化和神经突结果打印的结构窝藏神经干细胞,展示其非凡的再生潜力和鼓舞人心的小说思想为3 d生物打印的使用领域的神经科学。
2.6.4。神经组织
捆绑身体的神经纤维传输信号从一个地区到另一个和执行额外的功能,修复受损的神经和大脑等组织。脊髓神经祖细胞(sNPCs)和少突细胞祖细胞(信息公开化)是由万能干细胞产生,并使用extrusion-based脊髓印刷复合生物打印信息公开化)。重建操作中神经纤维连接领域的主要神经组织损伤可以帮助生物打印信息公开化与sNPCs混合物。研究结果显示产品的能力构造仿生,hydrogel-based支架模仿使用这些结构的解剖结构体外和创建新的策略,以解决神经疾病(36,37]。
Stereolithographic生物打印被朱et al。35)使用小鼠神经干细胞创建神经结构,nanoplatelets明胶甲基丙烯酰胺水凝胶,石墨烯。2周后,观察神经元分化和神经突结果打印的结构窝藏神经干细胞,展示其非凡的再生潜力和鼓舞人心的小说思想为3 d生物打印的使用领域的神经科学。
李等人。38]表明,血管内皮生长因子(vegf)可以直接打印的,专为缓慢释放纤维蛋白支架,证明该技术的可行性。控制,相比VEGF-secretion-induced植入小鼠神经干细胞形态学改变导致增强的细胞迁移。最近,Ilkhanizadeh et al。39)表明,高分子梯度内打印的支架可以通过喷墨打印生成刺激大脑干细胞发育。他们补充说胎儿生长因子2 (FGF2),睫状神经营养因子(据),或胎牛血清(的边后卫)bioink制成的聚丙烯酰胺,研究其主要影响胎儿神经干细胞。而据和的边后卫促进了生产的星形胶质细胞标志物胶质原纤维酸性蛋白(GFAP)和平滑肌标记平滑肌肌动蛋白,分别在FGF2的存在,维持神经干细胞增殖的身份。接下来,他们让一个脚手架据浓度由高到低的梯度,看着沿着梯度细胞分化。更具体地说,据治疗导致GFAP的表达水平升高的细胞治疗。
戴et al。40)产生肿瘤模型通过将神经胶质瘤干细胞包含在明胶/海藻酸纤维蛋白原bioink模拟肿瘤细胞外基质。这个模型被用来表明,神经胶质瘤干细胞有能力成为血管通过展示高水平的VEGF,肿瘤血管生成的一个特点。在随后的研究中,王et al。41)加强这项工作通过开发一个bioink海藻酸,明胶,神经胶质瘤干细胞模拟肿瘤微环境和允许检查肿瘤血管化。神经胶质瘤干细胞被发现释放血管内皮生长因子A和形成tubule-like结构体外时封闭在支架内。被移植到老鼠后,神经胶质瘤干细胞发展成血动脉由肿瘤细胞异常的内皮细胞表型。
2.6.5。心血管组织
用明胶水凝胶以独特的方式由哈桑et al。42)创建多层血动脉在微流体设备。研究者们只用了3 - 5天的内皮细胞成熟和正确定位和发展在他们被播种后血管壁,血管已经创建的物理结构。类似的结果是被Bertassoni et al。43)当他们用琼脂糖交联水凝胶打印血液动脉内皮细胞然后成长。其他人看着利用生物打印的可能性,加快身体的自然功能,除了直接植入的更简单的方法(图的打印组件8)。Gaebel et al。44打印和植入心脏补丁培养间充质干细胞和内皮细胞成老鼠的心脏梗塞。临床调查表明,3 d生物打印可以用来加强心脏的血管生成和援助组织复苏后心肌梗塞。
使用人类心脏细胞和水凝胶被称为新鲜,李et al。45从卡内基梅隆大学成功打印的心脏瓣膜组织。细胞被放置到水凝胶和培育一个额外的28天水凝胶支架材料上打印后迅速pH change-driven凝胶。打印的阀组织有一个直径约28毫米,分辨率约20毫米(灯丝)。与壁厚增加到14%在收缩,能够同步合同结构和执行定向传播潜在的行动。为了测试的可行性3 d生物打印在这种背景下,段等。46从康奈尔大学试图采用一种混合水凝胶由透明质酸凝胶,混合着人类主动脉瓣膜间质细胞建立三叶形的气门导管挤出生物打印。
使用组合方法基于挤压生物打印,Zhang et al。47)创建了一个endothelialized心脏结构。心肌细胞的自发和同步收缩首先形成一层熔融内皮生成脚手架,然后植入3 d内皮床上。申请endothelialized心肌平台包括心血管毒性测试,药物发现,疾病模拟。
最近,刘等人。48)使用DLP生物打印新生小鼠心室心肌细胞形状来创建一个心脏microtissue photo-crosslinkable水凝胶,模拟的微体系结构和功能正常的心室心肌。体外模型能够同步收缩和强制输出是由既定的标准。根据调查结果,在体外可以使用定制的心脏组织作为心脏疾病模型和药物筛选平台,从而为心脏工程奠定了基础。
应用包括药物筛选和毒性测试,以及构建人性化的体外心脏工作的前景在未来,显示的结果(49]。瓣膜microtissues组成猪瓣膜间质细胞被封装在一种改性明胶作为教学材料来创建大规模3 d microtissue使用紫外光交联,证明Roosens et al。50]。使用多细胞瓣膜microtissues作为构建块,我们可以生成假设芯片可能聚集在这样的软改性明胶水凝胶使用DLP或三苯基膦生物打印技术来构建功能,大规模瀑样。生物打印工作,李等人添加第二个层骨骨髓来源间充质干细胞(bmsc)海藻酸钠的对角cross-stripped聚已酸内酯(PCL)脚手架。第二层是三分之一覆盖着,这一次在一个螺旋PCL脚手架。在我们的调查对bmsc脉动的流的影响,我们发现接受endothelial-like分化细胞(51]。
2.6.6。肺组织
肺是呼吸系统的一个重要部分,因为他们把氧气从空气进入血液,血液中的二氧化碳进入大气。李等人。51从莱斯大学SLA生物打印和使用生物相容性的固化水凝胶来创建一个lung-like空气囊。几次试图使水凝胶吸收蓝光和加速固化过程不成功,直到一个研究生建议使用食用色素。内部解剖结构的3 d打印的气囊是复杂的,包括血管和气管。因为这个架构的气囊能够提供氧气的环境和泵空气进入航空公司。肺模型的大小相当于一分钱,及其决议0-50毫米。此外,肺模拟是足够坚固,可以承受呼吸测试。与更传统的方法相比,它可以在几分钟内完成打印任务,而不是几小时或几天35。另外,谭et al。18)创建了一个小肝用主要的干细胞和把它放到小鼠慢性肝损伤。这些肝细胞可以在体外生存表明他们可以这样做体内,这表明打印的动脉血液可以为他们提供他们所需要的营养。
哈[52)开发了一个体外lung-on-a-chip,重建3 d微体系结构、动态机械活动的生理功能和集成alveolar-capillary接口。alveolar-capillary接口的生理功能是集成到一个体外“lung-on-a-chip”,也复制3 d微体系结构和动态机械活动。目的是为了模拟空间的生理和力学性能之间的肺部和身体的其他部位。薄(E10毫米)、多孔弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜分离上部和底部细胞培养钱伯斯在肺模型中。人肺泡上皮细胞被播种在参议院,而肺微血管内皮细胞生长在下议院创建一个alveolar-capillary接口。为了模拟肺的呼吸运动,周期性的真空吸适用于双方的内庭。这模仿自然呼吸的肺组织模式造成失真的alveolar-capillary膜。仿生肺模型不仅提供了一个更现实的肺部疾病进展的描述,也是一种可行的方法来构建一个功能齐全的人类肺。找到打印材料,适合PDMS铸造、最近创建了一个重新设计的配方有更好的方法。根据他们的发现,这种方法非常适合永久PDMS铸件可能做一遍又一遍。 This technology was utilized to develop a lung-on-a-chip model, and Calu-3 cells were cultured within the chip to assess the model’s functionality and applicability by measuring cell survival and being exposed to cigarette smoke extract [53]。研究结果表明,该方法可以很容易应用到其他organ-on-a-chip模型。三维体外肺泡模型与喷墨打印生物打印也被霍et al。54]。人肺泡上皮细胞、基底膜和脐静脉的一层上皮细胞组成这个模型。使用这种技术,可能会变得更薄、更均匀的细胞层。重大影响的组织工程和再生医学可以预期的使用3 d生物打印作为体外organ-on-a-chip创建的一个方法。这些学科有很多获得从这些创新55]。
2.6.7。肝组织
肝脏是人体最重要的器官,起着至关重要的作用在尿素生成和代谢除了解毒,血细胞生产,凝血。因此,它是至关重要的建立一个合适的肝脏体外模型组织个性化的组织再生,药物筛选和疾病研究[56,57]。
在一项开创性的研究中,Faulkner-Jones et al。58)成功地移植人类诱导多能干细胞(hiPSC),随后发展成hepatocyte-like细胞(hlc)。同样,人类肝细胞(hlc)生产人类胚胎干细胞(为)与海藻酸水凝胶混合,和蛋白质测试表明,他们在本质上是肝脏。本研究的发现表明,为和hiPSCs可以打印没有失去多能性和分化能力和那些可以使用动物任意和个性化的药物开发。
水凝胶和SLA是利用Ma et al。59]人类脐静脉内皮细胞生长,人类多能干细胞肝祖细胞(hiPSC-HPCs)和脂肪干细胞在肝脏模型。模型总结机制自然肝脏的模块,可用于药物筛选和疾病建模、和比较调查显示hiPSC-HPCs的功能得到了改进。Bhise et al。60)建立了一个单片肝脏毒性测试平台由生物打印肝球状体,和他们联系的生物反应器和打印机等凝胶可以直接产生球状体构造,它们用于评估药物毒性。这个实验的有害反应结果匹配的现实世界中,证明平台的可行性。
为了测量精确的响应性药物,李和赵61年)发展一种技术依靠挤压生物打印安排组织芯片,可以由一个广泛的细胞,和水凝胶完全模仿健康肝脏的元素。这种方法需要较少的努力,提供了更大的回旋余地。
皮门特尔et al。62年]介绍了血管的肝脏芯片制造技术通过使用一个主材料和辅助材料(聚)作为支持机制,正在撤回故意的辅助材料和主要材料被用于创建一个微脉管系统。描述技术是有用的生产大型功能和复杂的血管系统打印的微观流体组成的平台,因为长时间(414天),打印的微观流体平台可能仍然是可行的。通道通过DLP系统创建瀑样生物打印与灌注被证明是可行的在不同的体外肝脏芯片由Grix et al。63年]。这个芯片结合HepaRG细胞和人类肝星状细胞(42周的培养)的3 d培养皿和受到灌注。更高水平的白蛋白和细胞色素P450 3 a4表达式是由标准组织工程中确定打印的肝组织免疫组织学和qPCR等分析。基于这些发现,似乎可以捏造liver-on-a-chip使用DLP会同灌注方法用于药物发现。为了演示毒性试验的功效,Oleaga et al。64年)创建了一个four-organ(包含心脏、肌肉、神经、肝脏模块)体外连续流动条件下的平台。类似药物相关性和药物治疗评估与人类和动物毒性结果公布数据显示一个可行的方法来形成体外multiorgan-on-a-chip系统(57]。
3所示。工程组织的3 d生物打印技术的临床应用
近年来显著提高3 d生物打印,全面开放可能使用的技术在临床护理,甚至在每一个主要的身体系统[65年]。因为他们的自然再生的能力,一些组织无法恢复措施除了手术治疗或人工替代(66年]。因此,生物打印获得极大成功的情况下当器官移植是不切实际或不可能的。成功取得在植入3 d-bioprinted组织在主要身体组织如心脏,血液的动脉,和皮肤(67年]。
此外,原位生物打印直接打印到本地组织是可能的。这适用于打印的皮肤,另一个拥有巨大潜力的器官系统治疗烧伤和创伤病人。水凝胶含有角质细胞和成纤维细胞直接植入到老鼠的皮肤粘合剂等。68年)利用cartridge-based交付设备。在植入后8周,他们观察到完整的关闭伤口和皮肤药物。此外,许多研究人员发现成功的生物打印使用常规体外过程生成皮肤组织(66年]。双层皮肤结构由人血浆被三次打印的体外et al。69年]。在被移植到免疫缺陷小鼠,皮肤补丁发展成为功能齐全,非常类似于人类皮肤(21]。研究继续coprint更关键解剖元素到打印的皮肤,包括汗腺、毛囊黑色素细胞,以恢复完全功能性组织(21,71年,72年]。
生物打印成功也被用于重建骨骼和软骨。生物打印的骨头已经提议使用体外和原位方法,就像皮肤。水合硫酸钙生物活性玻璃支架是由Qi et al。73年使用体外技术)。人类间充质干细胞被证明和增殖遵守组织构造,和体内植入大鼠模型导致明显比对照组更自然的骨组织的创建。关于体内应用,Keriquel et al。74年)使用激光辅助生物打印建立骨骼间充质基质细胞组成的构造,胶原蛋白,修复和羟磷灰石骨缺陷小鼠模型。控制相比,科学家们发现,最后组织产品显示完整的功能和活力,以及正常的成骨细胞组织和扩散能力75年]。
由于软骨组织,不能自发再生,软骨的生物打印也获得了意义在整个年。减少所带来的问题的严重性软骨退化,生物打印是至关重要的。喷墨生物打印是利用Cui et al。76年]提出cell-hydrogel混合物作为聚乙二醇利用胶卷的3 d打印,当时种植生物反应器为6周。孵化后,他们比较了软骨构建正常软骨块,发现cartilaginous-like组织有一个劣质的胶原蛋白比较胶原蛋白II。这表明软骨细胞生长和发育正常的潜伏期(76年]。用明胶水凝胶以独特的方式(42)创建多层血动脉在微流体设备。研究者们只用了3 - 5天的内皮细胞成熟和正确定位和发展在他们被播种后血管壁,血管已经创建的物理结构(42]。相似的结果出现在[43)当他们使用交联琼脂糖混合物打印动脉,然后与内皮细胞增长。其他人看着利用生物打印的可能性,加快身体的自然功能,除了直接植入打印组件的更简单的方法。研究人员打印的和植入修复心脏培养成老鼠的心脏梗塞。临床调查表明,3 d生物打印可以用来加强心脏的血管生成和援助组织复苏后心肌梗死(44]。
4所示。结论和展望
使用3 d生物打印已经被证明是一个令人兴奋的领域的突破组织再生,也可能会有其他潜在的用途。癌症研究,药物发现和交付,假肢,甚至医生/病人教育只是一些生物打印的地区目前正在投入使用。然而,仍然有障碍需要克服生物打印之前可以完全取代传统组织工程方法。原因,为什么3 d-bioprinted组织结构尚未在人类临床设置,包括机械品质不足和缺乏纵向信息建议满意的bio-made-up材料的耐久性。这些并发症都连接到的选择可以使聚合物的生物相容性和细胞生物学和生物打印技术本身。Bioinks和生物有许多缺点,使选择的油墨有权利属性为一个特定的使用是很棘手的。由于这个原因,它是重要的生物打印技术和bioink都适合使用目的的组织。印刷速度、分辨率和可伸缩性细胞打印的结构都是因素,需要改进使用当前生物打印技术。专注于解决这些问题可以在3 d生物打印带来一个重大进步。
也有成本效益的3 d生物打印是如何的问题。这是特别重要的,当考虑到昂贵的3 d打印机的性质,分子物质,甚至软件应用程序,这变得更加紧迫。由于广泛的努力和训练需要创建3 d模型正确,一些企业甚至雇佣全职设计师专门为任务的虚拟模型。当作为一个整体,昂贵的操作成本和不断增长的减缓生物打印工具3 d打印技术的广泛应用在医疗设置。
3 d打印组织的另一个问题是,他们往往是在大的方面。有限制的功能和可伸缩性的打印的组织,因为他们往往很小,只有几个细胞组成的。此外,3 d打印机具有最小印刷空间,3 d打印的组织和器官大小的限制。仍然有错误的机会,而放在一起更大的形式从3 d打印的组织由更小的组件。直接3 d生物打印面临挑战时试图模拟自然组织和打印整个器官,因为电流的大小限制和仿真性能的材料。
领域的3 d生物打印最近增加了新的技术与方法的调查。有巨大潜力3 d生物打印及其技术发展领域的组织再生,因为这将使制造业的更复杂的组织和增强的医学应用。表1总结了优点和缺点不同的三维组织工程生物打印。
数据可用性
的数据支持本研究的发现可以在请求从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
资金
这项工作是支持和赞助Al-Ahliyya安曼大学。