加法制造的生物聚合物组织工程和再生医学:概述,潜在的应用,发展,趋势

文摘

生产织物工程脚手架技术,三维(3 d)印刷有着巨大的可能性。3 d打印应用程序限制在范围广泛的生物材料领域的再生医学和组织工程。bioactiveness由于其生物相容性,生物降解性,生物高分子如胶原蛋白、海藻酸、蚕丝蛋白、壳聚糖、海藻酸、纤维素和淀粉用于各种领域,包括食品、生物医学、再生、农业、包装、和制药行业。生产3 d打印的支架的好处有很多,包括生产能力复杂的几何图形,孔隙度,多单元的coculture并考虑生长因子。特别是,额外的生物聚合物的生产提供了新的选项来生成3 d结构和材料与专业模式和属性。在组织工程和再生医学领域(术语),重要的进步已经完成;现在,一些先进的技术生产多孔支架用于组织器官或组织再生适合技术。天然biopolymeric材料往往更适合比临时植入治疗设备的设计和制造,以及组织再生材料由于其适当的性能和生物相容性。加法制造上的综述生物聚合物的重大变化,进步,发展趋势,和再生医学和组织工程的发展与应用前景。

1。介绍

各种类型的组织和激素等方面必要的差异和身体大小限制这个再生身体可以再生(临界缺陷)。任何组织损伤超出这个至关重要的维度需要外部援助的方法,如组织工程再生医学(TE)和(RM)的外部凹陷称为标准。这些组织为细胞提供一个平台活动和创造新组织(1]。在TE和RM,支架有至关重要的作用。这些组织经常提供增长代理商为了加速之间的分化细胞和选定行鼓励新组织的发展。细胞生存能力和细胞前生命的物理和化学的内容(中扮演着一个重要的角色。2]。生物材料分类根据各种参数,包括化学和物理组成、生物降解性、起源、和修改。生物材料的选择取决于目标的组织。生物材料分为陶瓷、聚合物和复合材料根据其化学成分。陶瓷的生物材料类包括无机(金属或钙盐的重要组成部分3]。这些生物材料的主要用途,牙科。因为它的相似之处与绑定组织,聚合物用于软组织工程。混合陶瓷和聚合物组成的复合类生物材料。复合材料有骨科和牙科TE用途。自然和人造聚合物的TE和RM一般采用(4]。天然生物材料的生物降解性和生物相容性等丰富的可用性胶原蛋白、壳聚糖、透明质酸、海藻酸通常使用。的关键因素之一的天然聚合物的降解生物材料(5]。

因为这些biomatters存在于细胞外基质(ECM),细胞非常兼容和应对增长。胶原蛋白是一种最常用的天然生物材料支架的多个应用程序。生物聚合物最近收集的重大利益,biocomposites多功能,高效率,低环境影响,独家可访问性、可再生、对环境友好,和轻量级的品质(6]。Biopolymeric复合材料多方面的应用程序应该取代合成材料的光学、生物化学和生物医学工程7]。产品数据分为两个维度。数据被发送通过机器的基础产品一层一层地,和材料一层一层地下降,这在一个添加剂过程注入最新的层材料到老层如图1。研究人员从生物聚合物近年来受到极大的关注,可生物降解的合成聚合物。生物医学应用程序需要可持续的生产,强,轻质biopolymeric材料(8]。的开发或选择建筑设计的方法来解决问题但是之间需要一个妥协愿景和目标,通常与新生物材料(冲突9]。

2。需要打印的支架及其制备

组织工程的另一种方法是解决器官移植的需求增加。TE和RM程序可以弥补之间的差距可用移植等待病人和捐助者的数量(11]。来自另一个个体的器官衰竭和器官移植是唯一有效的方法来治疗器官包括肾脏、肝脏、胰腺和心脏退行性疾病。生产生物材料和支架,TE过程就开始了。这些纺织品化学的和物理的改变来满足特定的参数在生产过程中包括生物降解性、孔隙度、规模、形式、和生物活性(12]。根据生物材料的性质、生产、和目标组织,这些要求可能会有所不同。细胞的组织和发展所需的组织体外或体内以允许宿主细胞进入组织和替换。生长因子、激素和化学指标对这两种方法是至关重要的,因为他们定义细胞分化和组织功能(13]。生物材料不仅允许身体细胞附件还提供治疗药物,如药物、蛋白质、因素的增长,和化学指标。大多数哺乳动物细胞依靠锚可行性。缺乏细胞附着的基质常常引起死亡的细胞14]。因此,对于表面擦洗的化学和结构材料、细胞生存和功能是十分重要的。三个strategies-chemical变更、改变物理和表面coating-enhance细胞在生物材料和支架表面的附着力;一些三维多孔支架用于组织工程策略表表示1。其目的是支持支架和生物材料细胞生长和细胞活动。这就引出了下一个阶段,当细胞被插入到码。所需的播种的细胞通常包括策略添加细胞支架(15]。主细胞执行专门的器官功能和支持细胞,分泌的支持矩阵,血管,和结构框架,在复杂器官的形成。不同的基因型和表型的主要细胞可能被注入为了区分这些组织或多能细胞所需的细胞系中16]。

几种方法制造支架存在。制造过程的下一步是将生物材料为面料。这些制造技术是物理和化学过程进行组织工程生物材料的使用。并不是所有的生物材料都适合一个特定类型的制造17]。生物材料因此不断更新用于每一个生产过程。传统生产过程包括电纺,分离阶段,干燥冻结、自治组件,铸造的溶剂、纺织技术、注射材料,添加剂。离子聚合物溶液通过细孔驱逐通过高压潜力电纺的过程。因为电位差,溶剂喷洒在细纤维作为聚合物溶剂喷雾和树叶碎片(18]。虽然这种方法可以使用各种各样的聚合物,它仍然是一个约束生产支架与复杂的几何图形和架构。使用相分离过程可以产生很多孔和复杂的三维支架。与不同的溶剂系统的一个解决方案是使用这种支架的方法生产(19]。一个阶段有或没有热溶剂分离,只留下你想要的聚合物解决方案。脚手架生产方法,它允许伪造产品的孔隙度,但限制聚合物及其与高分辨率(生产锻造产品的能力20.]。3 d打印技术包括熔融沉积成型(FDM),激光熔化(加快),选择性激光烧结(SLS),数字激光打印(DLP) PolyJet,电子束融化(实证),和喷墨打印。无论3 d打印技术,所有添加剂使用一种常见的分层技术设计方法,直到整个产品构造。这意味着一个3 d结构是由连续的二维材料层。首次利用添加剂生产创建原型,然后改编自许多行业机械和工业应用21]。这种制造方法有许多优点,包括功能产生复杂的几何图形,一个大范围的生物材料,各种材料。研究人员已经创造了新的思想和方法的形成与多个细胞系和器官组织使用可生物降解的聚合物和细胞(22]。

3所示。生物聚合物和类型

天然聚合物是高分子来自生活或生物资源,包括植物、动物或微生物和生物系统。碳水化合物也被称为生物聚合物(阿糖基木聚糖、壳聚糖和淀粉、明胶和角蛋白等蛋白质和polyhydroxyalkanoates (pha),聚(3-hydroxybutyrate) [P (3 hb)])。为了提高结构和功能品质产生的复合材料,生物高聚物复合材料的合成采用一个由一个或多个生物聚合物(30.]。生物聚合物的组成影响它的功能,而功能潜力主要取决于非晶态或晶体组件的行为。例如,纤维素是一种结构聚合物,它有其晶体形状。壳聚糖是一个著名的多糖碳水化合物家族的组件。Biosustainability、生物降解性和相容性一直呼吁在各种行业31日]。它随时可以生产从海洋来源(龙虾、螃蟹和虾)和利用各种生物聚合物复合材料。许多问题需要考虑之前广泛使用biosustainable聚合物是可行的,比如技术和生产问题。他们的功能特性出现负面建立石油相比,聚合物和生物聚合物的基本障碍更广泛的应用在许多领域(32,33]。例如,一个组件的性能的生物聚合物单键小于塑料材料的结果在一个贫穷的机械特性。这些缺点可以解决在众多方法包括润滑、混合,结合,加强与其他合适的陶瓷和聚合物(34]。聚合物通常来自各种来源,包括生产聚苯乙烯和天然生物高分子如纤维素、蛋白质、和微生物聚酯至关重要的生物系统结构和功能(35]。三种基本形式可以归类为生物聚合物或biobased聚合物复合材料,这取决于他们的来源。(1)聚合物,如淀粉、纤维素、阿糖基木聚糖和角蛋白提取或生物质分离(2)聚合物创建从普通化学处理的可再生的生物聚合物形成通过发酵的碳水化合物单体,如聚乳酸(PLA)和醋酸纤维素(CA)(3)聚合物得到大多来自pha,虽然创造消化的细菌纤维素微生物有机体。Biocomposite用于创建材料由天然或bioderived聚合物,如壳聚糖,arabinoxylane, pha、解放军36,37]

绿色复合材料包括biopolymer-natural组件和可降解无机填料被称为高效和可持续biocomposites。他们关注的话题,因为环境问题和法律39]。生物聚合物是相当强大的,自然resource-derived分子。这些产品可以被生物降解,容易回收,在贸易与环境可持续,贴上biosustainable产品(40]。在多个可能的医疗应用程序和其他应用程序中,化学改变生物聚合物,例如,硫醇盐阿糖基木聚糖和醋酸纤维素,如图2。环境因素和微生物分解为有利环境的退化。可降解生物高聚物复合材料被称为“绿色有机复合材料。“有机填料,包括钛、二氧化硅,氧化铝,是对许多绿色生物化合物特征。一些可行的和环境有益的文章已经提供与合成油市场促生长的进展(41]。

4所示。生物材料的特性适合3 d打印

生物打印的原理在于印象该生物材料使用液体层过程直到完全生产,生物材料后立即退出头盖骨的流体条件;生物材料变得形状。这个转换过程从溶胶凝胶或阶段的关键是生物材料的生物打印42]。最常用的生物材料是聚合物和复合材料,因为它们可以聚合不同的方式让他们“3 d-printable。“流变特性和交联过程是至关重要的因素使生物材料接受3 d印刷方法。生物喷墨印刷的标准是有别于extrusion-based生物打印,根据生物打印的方法不同,其品质差异(43]。此外,适当的印刷质量依赖于类型的高分子生物材料有关的元素。建立创新的聚合物或水凝胶生物打印系统应该包括流变特性如粘度、非牛顿,巴拉斯效应和交联。非牛顿系统有一个低粘度液体稀释和时间在剪切压力(44]。聚合物有较高的粘度和倾向于显示阻塞喷嘴在3 d打印和剪切增稠液体。聚合物是由尘埃的打印头在印刷过程中,扩大后驱逐(45]。这种现象被称为巴拉斯的效果。理想bioinks应该轻微或没有巴拉斯效应储备3 d打印对象的目的。图3显示不同的加法制造(AM)非细胞生物材料的方法进行归类按照美国和材料试验学会(ASTM)的建议。

5。聚合物通过3 d打印技术制作的

5.1。天然生物材料

有前途的选择进行了调查使用组织工程过程而寻找替代传统治疗策略来修复或替换丢失或不正常的人体组织和器官。生物材料支架是有益的对于这个搜索(47]。明胶,校长水解胶原蛋白成分,自发形成的细胞外基质(ECM),暂停凝胶细胞在低温的能力。研究学习使用天然淀粉聚合物水性粘合剂在3 d直接打印显示积极的结果,和必要的生物降解和必要的机械品质合成聚合物(48]。聚合物分解淀粉提供长时间的基础上,随后高孔隙度与增加细胞融合,是理想的组织工程骨(49]。三维印刷(3 dp)方法,一个独特的混合聚合物基淀粉颗粒生产(玉米淀粉、葡聚糖和凝胶)。扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热法(DSC)、孔隙度评价和压缩测试测试支架的质量(50,51]。分析和测试表明,新的3 dp材料组合可以构建三维孔隙脚手架。在聚合物药物供应管理,淀粉和纤维素的复合材料展示了生物相容性(52]。密度措施和机械测试证明,由于小烧结水平和关节的极限,标本的机械品质建造更大的颗粒较小,封闭毛孔满更高和更小尺寸的粒子(53]。结果表明,生物聚合物支架可能是由一个过程优化利用淀粉和醋酸纤维素调节激光功率和扫描速度。结果证明。标本制作的小粒径有足够的机械设计和制造的特点和疏组织和药物输送支架与潜在效用(54]。3 d打印技术的应用在组织技术允许生产tissue-analogous结构使用创新技术进行细胞和矩阵的印刷材料。使用3 d印刷生产电池充电结构已被证实定位目的细胞和细胞生存能力很高的建筑制造(55,56]。

5.2。陶瓷支架

陶瓷是一种生物材料,包括钙和磷酸盐,包括无机盐。因为他们的综合分析和osteoinductivity,这些生物材料有明显的骨骼和牙齿TE的潜力。的无机成分骨组织模仿钙盐和磷酸盐(57]。这些生物刺激创造新的骨骼和因此被称为osteoconductants。一些化合物会导致细胞影响成骨细胞排列不应用生长因子,因此被称为有58]。陶瓷和聚合物基生物材料被归类为复合材料。壳聚糖、Poly-Lactide-Glycolic酸(PLGA)和聚乙二醇丙烯酸(PEGDA)是常见的聚合物制成。石墨烯材料,如氧化锆,二氧化硅,添加生物玻璃的组成皮肤为了建立复合材料与骨突的机械性能(59]。许多研究人员创建三维多孔材料以提高血管化支架。最终会暴露许多3 d打印的陶瓷烧结和冷冻技术以提高机械特性和cytocompatibility [60]。抗压强度是证明由3 d打印的支架采用锶、锌黄长石,锌尖晶石,羟丙甲纤维素(HPMC)和聚丙烯酸钠等于110 MPa骨,34%的多孔支架。因为机械高品质和能力刺激血管化,骨组织工程有非常巨大的潜力(61年,62年]。3 d打印技术使您能够产生特定的移植,满足病人的需要关于组织相容性,移植物大小和骨骼发育率。

5.3。合成生物聚合物

骨是一种最彻底地研究各种组织正在积极调查,因为它的日常生活的重要活动。有缺陷的部分通常必须移除手术如果骨疾病或损伤。但再生有限几毫米远离健康的骨骼(63年]。再生仅是可能的。后来,切除部分的骨头被贪污,恢复其功能。最常用的三维多孔支架聚合物为聚已酸内酯(PCL),这是终限制cell-skin相互作用引起的,尽管其强大的生物相容性和加工性能64年]。PCL也是半晶质,导致很长时间的降解动力学条件,这被认为是软、硬组织兼容bioresorbable材料,加上其疏水性和吸水能力差。的范围40% - -85%,-55年74%,95 MPa, 1, 17 - 03 MPa,孔隙度,压缩陡度,屈服强度的支架多样。这个范围内的刚度密切符合响在上颌骨骨区域。此外,从细胞毒性测试的结果很明显,选择制造用于PCL支架的方法已经被证明是可行的(65年,66年]。除了PCL,一些额外的聚合物在3 d打印技术用于组织工程。保利(3-hydroxybutyrate) (PHB)是一种自然,在平衡与生长有关,热塑性聚酯,在生物医学领域受到关注,如组织工程支架制备因其生物相容性和生物降解性67年]。PHB与传统程序,可能是由3 d打印不需要处理的化学物质如增塑剂。功能与PCL-based脂肪族聚酯氯化苯镁(PhMgCl)由于骨干hydroxymethylglycolide-co——更大的亲水性ε己内酯组最近发达,导致附着力显著增加,增殖,分化人类间充质干细胞与PCL (68年]。PCL-based聚酯也发达。为了测试体内生物降解和生物相容性的三维PhMgCl脚手架,创建了3 d贴膏药利用聚合物通过纤维过滤,亲水性增加,更高的降解率,增强细胞材料之间的界面和PCL(融化策划)。正常外部的身体反应是在PhMgCl支架两种类型的支架的特点是巨噬细胞,淋巴细胞和纤维化(69年,70年]。交互的程度组织支架和血管化的PhMgCl支架被证明是高于PCL。因此,一个潜在的骨头和软骨组织工程的生物质能是快速和可降解PhMgCl,表现出良好的生物相容性71年]。

5.4。合成Biopolymer-Based复合材料

作为主要的脚手架材料在制备复合材料,两个photocross-linkable水凝胶生物聚合物聚(乙二醇),(PEG-DMA, 1000 MW)和聚- (PEG-DA, 3400 MW)。在不同区域的脚手架,创建复合支架使用浓度调节的倾斜,包括荧光,荧光、生物活性挂钩标记,或生物活性[挂钩72年]。荧光显微镜用于荧光成分的存在特定地区的头骨,和选择性生物活性显微镜是用来说明细胞定位的帮助下挂钩部分生物活性模式。成功地展示了复合材料空间控制。此外,SLS加工后,平衡这两个生物聚合物的膨胀行为成立和用于构建结构处于膨胀状态与给定的尺寸(73年]。复合材料使用SL,不同的生物活性配体或生长因子相对容易共轭盯住制造定制的三维结构与特定的生物活性,可以由一个空间(74年]。大多数的程序使用不溶于水的图片不符合生活细胞制造和紫外线(UV)辐射危害细胞DNA。一些研究显示,使用水溶性利用聚(ethyleneglycol) (PEG-DMA)产生stereolithographic结构化,cell-containing水凝胶。的细胞生存和活动与他们的多孔支架内部架构是比固体支架,也许是因为增加的支架(内交换氧气和营养75年,76年]。一个定义良好的孔隙网络,有限的孔隙的分布,并显著特征孔互连多孔水凝胶结构。细胞相容性与建筑结构的树脂。人类间充质干细胞是附着在表面的水凝胶结构,播种后,他们表现出传播形式。经过五天的培养,细胞生长被发现(77年]。在组织工程、药物、细胞移植和其他生物医学应用程序,因此可以使用这些水凝胶结构(78年]。

PCL等材料相比,解放军提供更好的本地生物相容性,丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)不是广泛用于医疗设备。生物应用需求减少蛋白质和其他生物分子粘附组件在流(79年]。的化学改性ABS表面工程的亲水性和生物相容性是非常重要的。表面变化已被证明是一个优秀的技术提高材料生物相容性多年,特别是通过挂钩的嫁接80年]。方法生产防水微流控设备通过丙酮已经证明损害与化学溶解水层多孔FDM ABS装置之间的运动,同时保持印刷微观结构的结构富达250μm。钉组将于现在的摄影嫁接方法构建一个稳定,生物相容性的ABS表面可以提高ABS的生物相容性减少biofluidity的生物相容性81年,82年]。表面和protein-adhesive研究已经表明,这种改性ABS是一个通用的材料用于模型融合形成的沉积micro-fluid-resistant生物燃料渠道,扩大潜在应用的范围ABS-based FDM微观和芯片上的实验室应用83年]。化合物的聚合物和无机生物活性材料目前正在开发增加支架的机械稳定和提高组织的相互作用84年]。生物可降解聚合物和陶瓷,如羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)创建第三方组合脚手架。生物材料在纳米尺度的综合分析钙磷酸盐的发展(Ca Ps)包括哈,磷酸三钙,代替HA和TCP被公认为规模较小,高表面体积的关系,与自然骨结构和生物力学相似性结合骨结构如胶原、聚(L-lactide)(丙交脂)和壳聚糖(85年,86年]。

羟磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(哦)₂),化学相似之处与磷酸钙矿物在生物硬组织,得到了很多利益。公顷用于一系列控制药物释放等生物应用矩阵和骨组织转运体材料(87年]。最近,利用纳米羟磷灰石(nHA)与典型microsizes一直强调。NHA可以作为治疗药物的载体,使细胞外和细胞内调节释放药物,同时,它是高度吸收进入人体硬组织再生(88年]。骨组织工程应用已PCL / HA复合材料的主要兴趣所在。使用PCL和HA biocomposite通过SLS技术生产组织支架材料。与细胞培养实验表明,Saos-2细胞可以住在制造织物和增殖。研究结果表明,PCL /公顷biocomposites优势是组织工程的身体由SLS。除了纯PCL, PCL-HA复合材料机械性能的改善。他们还表明,这些靴子的力学性能可以很精确的预期生产前89年,90年]。的能力调整的材料属性和解剖形式fabric-engineered患者和站点恢复策略结构是复合材料的机械特性的扩展在任何装载的填充物结合直接生产方法和一个复杂的解剖组件生产过程91年,92年]。结合自然生产过程制造的复杂的anti-anatomical蛋白质技术复合材料的填料。它能够适应材料属性和建筑设计对于病人和网站康复计划(93年]。

聚合物组织工程支架的细胞相互作用众所周知,受益于生物活性玻璃。最好的反应可能会获得如果玻璃没有覆盖表面的支架(94年]。最近创建一个3 d纤维吸引技术生产perfusable玻璃烤架,类似于有图案的血管系统和覆盖着一层薄薄的保利- (d-lactideco-glycolide)。多孔和支架是用于分发生物活性玻璃表面组织。存在表面的复合支架的体外生物活性磷酸钙存款(95年]。纤维母细胞的新陈代谢是生物活性玻璃。调查表明,SLS技术允许生产的定义良好的复合材料,在生物活性玻璃表面同样分散和现成的快速细胞和离子释放。一个不受欢迎的聚合物层覆盖BG颗粒可以避免有限元(SLA)表面的皮肤(96年]。这项研究表明,再生医学的生物活性和生物降解细胞支持photocross-linked复合和PCL支架由SLA技术具有高潜力(97年]。

5.5。肽链型生物聚合物

一类新的生物材料的杰出的化学、物理、肽链型生物聚合物和生物性质的产生;蛋白质工程和大分子组装聚合,使肽链型生物材料扩大(98年,99年]。原型的例子包括poly-amino酸、亮氨酸zip-based肽,肽双性,离子在beta-hairpinβ褶板寡肽和多肽,与原型肽链型生物材料;poly-amino氨基酸、多肽、丝蛋白;和卷曲螺旋域。生物聚合物也可以轻易地运作加强细胞连接和细胞活动和创建一个适当的平台功能组织(One hundred.,101年]。本节介绍两个主要的技术生物聚合物类基于肽:autoassembly多肽;凝胶的形成通过环境刺激和多肽。原位凝胶的应用化学交联elastin-like蛋白质(ELP)水凝胶被低水溶性,受损的毒性问题,交联反应物和产品反应物,缺乏生物相容性的延迟凝胶动力学(102年]。虽然肽生物材料越来越重要材料再生疗法,其使用受到短寿命和热不稳定。这些约束可以使用新技术,克服和肽链型生物材料的使用因此可以进一步扩展到应用程序的(目前是不可能的103年,104年]。

5.6。聚合物支架

聚合物中经常使用3 d印刷生物材料。生产的聚合物添加剂的使用是扩展到各种组织,包括最器官移植肝脏,肾脏和心脏组织。可生物降解和非降解性聚合物可以用于3 d打印;然而,生物可降解聚合物的优点是更大,因此广泛使用(105年]。生物可降解聚合物通常归类为天然或合成基于他们的起源。近年来,大量的合成聚合物与可编程产生降解率。降解率是至关重要的,因为它需要匹配新组织合成的速度(106年]。脚手架的设计还包括天然和合成聚合物的组合。在一个或两个物理阶段,无论是固体或液体聚合物通常发生在生物打印。固体聚合物主要利用在FDM打印机,而液体聚合物用于挤压和喷墨打印机107年]。液体聚合物溶剂系统的解决方案,可以聚合或与单体或低聚物互联。水凝胶是一种聚合物,成立,因此模仿自然的组织环境。它们被用于细胞封装、药物输送系统和包的应用程序(108年]。血管组织和器官制造的巨大承诺使用氢和印3 d细胞的组合。在努力构建支架为特定组织,是利用各种3 d印刷方法。沉积融合建模提供了一种经济的方式建立支架的使用广泛使用可生物降解的聚合物纤维调节孔隙度和架构(109年,110年]。然而,热恶化和空间分辨率的局限性FDM打印机。extrusion-based印刷、暂停、解决方案或乳液提供气动,活塞,或研究系统产生压力111年),考虑到不同粘度的许多水凝胶;pressure-oriented挤压方法是有效的。

6。生物聚合物材料在生物医学领域的应用

6.1。药物输送

革命潜在的基因,为运营商提供生物分子,或生物制剂被polysaccharide-based复合材料显示,包括阿糖基木聚糖、黄原胶、壳聚糖(112年]。这些都是作为药物载体具有优良的生物活性,细胞毒性低,nonantigens,加工性,可逆的装载和释放机制软骨修复和血管移植。他们被用于治疗癌症。其他资产,提高乳化药物传递应用程序,凝胶的形成,发泡,吸湿113年]。这些高分子材料也被公认为优秀的药物输送系统,因为其独特的机械和控制交联特性,适合在各种环境和生物降解特定区域(114年]。这样的生物材料可以直接合成或合成人们列入工程特殊和特定的地方和多功能特性。一些生物材料种类,有效当水凝胶电影,管,微球,微和基于壳聚糖、瓜尔胶、阿糖基木聚糖。

控制药物输送试图稳定在所需的位置,给治疗通常在血液中,以维持一个有效的治疗窗口(115年,116年]。结果是有成本效益的和可取的,减少或消除不愉快的副作用,在剂量并发症,提高病人复苏和安慰。据称,监管破裂和可持续释放后积累的目标站点是最希望药理性能的生物材料系统(117年]。这种植入控释药物或其它治疗物质可以使用触发器主要是控制温度,pH、离子浓度。为了管理治疗使用的释放,药物供应的目标系统通常必须激活细胞区域(118年]。因此,为了优化前体的合成或功能,组成生产条件、和药物封装技术,定制药物输送的方法必须符合所需的释放动力学(119年]。医学或其他营养应该交货率和控制剂量通过确保所有因素,如大小、形状、表面形态、生物利用度和生物降解性是合适的和特定的目的。仿生聚合物纳米颗粒在不同大小,和治疗成分有效地加载。准确、航空公司协助想象炎症区域以分子形式和解决可能的炎症和免疫反应120年]。图4显示各种类型的航空公司来控制药物释放机制。

6.2。组织工程(TE)

组织工程涉及到通过生物材料支架治疗或有缺陷的组织的再生。它要求聚合物复合材料和必要的成分,所需的技术素质和足够的物理化学行为,促进生物组织的形成。它在深度和扩大自己的重要性作为一种先进的学科,被归类为生物材料分段(122年]。组织技术处理不同的应用程序,结果通常是相关的应用程序替代、修复或重建部分或完整的组织(骨、软骨、血管、膀胱、皮肤和肌肉)。组织有牵连的通常负责适当的特定体系结构的功能,形态和力学(123年]。组织工程短语也用于保护和支持系统产生的人为结合复杂的生化途径通过细胞(皮肤、髋关节置换)。技术能力对3 d骨支架是骨组织工程(耳背式),含有活细胞和生物活性的化学物质。耳背式侧重于知觉骨架结构的骨动力学增加临床解决令人不安的骨骼和节段性异常的能力124年,125年]。在其他情况下,当代技术和促进骨生物化学是重要的有效或重建骨组织生长。骨头可以用于广泛的多功能,导致生理和内分泌的刺激126年]。

骨头存到一个不断吸收和修复过程中发生由于内部中间体和外部机械标准,交流的化学物质,和结构改造(127年]。骨被称为历史上最伟大的智能材料和大多数正是由于其有限的再生的灵活性。刚治愈骨与宿主骨和相邻,最重要的是,本机骨功能包括骨融合(128年,129年]。功能性骨组织工程增加了功能和结构多样性;骨是一个极其复杂的组织。尤其是细胞外骨基质是由nonmineralized有机基体和无机矿化组件(130年]。纳米复合结构的抗压强度和电阻的股骨骨折和承载的应用程序是很重要的131年]。合适的化合物对细胞外基质或粘性的配体,使干细胞和再生骨组织工程可能会如此迅速地在不同的应用程序(132年,133年]。骨组织工程应重点关注生产支架血管生成,结合增长刺激和血管生长所需的孔隙结构134年,135年]。这些支架的加工与微nanometre-surface地貌学是必不可少的细胞债券,传播和差异,如图5。

然而,骨组织工程被认为是另一种情况,当捐赠者的可用性受到限制,或者哪里有疾病传播的风险,施主能级困难,甚至限制外部材料的重塑和对生理条件。这是正确的支架是否非细胞或播种干细胞,可以直接发展成为骨细胞,替代部分骨骨折。脚手架的组成和结构是至关重要的。骨组织工程的主要目标是创建支架,不仅作为一个支架植入的细胞也发出再生信号细胞加速骨折愈合和修复。结构性骨支架的三维结构和环境,旨在(1)促进细胞粘附和生存,(2)加速骨重塑和改造,(3)提供综合分析结构指导,和(4)在某些情况下,作为生长因子的载体,抗生素,或基因疗法。表皮是一个anti-illness盾是最防水层和身体温度和湿度的调节中起着重要作用。超过90%的表皮细胞角质细胞(137年]。朗格汉斯、黑色素细胞和默克尔细胞主导表皮细胞的大部分人口。真皮和皮肤基础皮肤的重量的90%左右。它是软组织的细胞外基质组成的各种细胞,镜头和毛囊。真皮有很强的血管化、神经以血管(138年]。成纤维细胞是最大的真皮细胞含有胶原蛋白和弹性蛋白和给皮肤的机械强度。更深入的弹性,皮肤粘膜组织细胞储存脂肪,血管,神经存在肺皮下组织。创伤等物理穿透,毒液,火,疾病,和操作的主要原因,导致重要器官受到感染的机会,受伤,或由这种疾病(脱水139年]。皮肤替代技术提供了一个潜在的基础更好照顾抗击慢性和急性皮肤损伤。然而,考虑到机械和活跃皮肤的生理方面,细胞基础技术和模拟细胞外基质需要皮肤组织工程与周围组织(140年,141年]。目前没有实质性的皮肤原型是精确复制自然皮肤结构、组成、有机一致性,或视觉环境。替代的皮肤可能至关重要,简单易用,wound-specific特征(142年]。

这些生物材料是足够水敏和有特定亲和力举办的地方。他们的生物化学和机械特性是充分的,贫困是控制,消毒是无毒、nonantigenic、炎症是次要的(143年]。他们还可以加入会众在低运营成本最小伤害和痛苦的血管生成。组织技术的最终目标是实现这些需求的最大准备智能皮肤替代品(144年]。此外,新的皮肤电子属性或审美结构不恢复高分子复合材料。为了延长皮肤增长提供典型的实用性和美丽健康的肌肤,皮肤干细胞生物学和形态发生的变化是必要的(145年]。一些biopolymeric材料及其特性表表示2。

6.3。伤口愈合

伤口是一种不均匀肌肤冲孔,破裂,或皮肤变形由于慢性或热损伤。伤害可以列为慢性或急性损伤根据愈合过程。慢性损伤主要是组织病变,通常在8到12周内,似乎已经完全解决(156年]。急性损伤继续发生,仍超过12周的休养。各种神经因素可能导致愈合障碍或未能正确地愈合。慢性损伤的例子是褥疮和腿部溃疡。作为伤口的基础层次,皮肤层和被污染的地区,只有表皮皮肤表面参与表面伤口(157年,158年]。这个词部分厚度损伤被定义为损伤包括表皮,表皮深处,肌肉、软组织和毛囊组织。伤口是结合皮下脂肪或深层组织除了表皮和皮肤表面(159年]。生理伤口修复的各种生物系统之间的协调合作。伤口完全治疗与控制级联操作。磁滞和凝固的血液开始病变,主要是为了避免第一眼大出血造成,发生在身体的每一个区域(160年]。病变也是一个长期的次要目标和细胞粘附的矩阵。小心地管理平衡的内皮细胞和thrombocytes依赖于体内平衡和纤维蛋白产生的损伤(161年]。反应的神经系统受损的血管导致形成血管,阻塞血液流动在几分钟的时间。凝固的瀑布是由稳态行为和增殖和分化162年]。血小板债券时,血溢出,导致凝血因子的释放:纤连蛋白、纤维蛋白,vitronectin和血小板反应蛋白。凝固保留同性恋和同性恋和炎症治疗的细胞迁移矩阵(163年,164年]。许多生物聚合物通常用于伤口护理和治疗,包括纤维蛋白质和多糖不同。这些生物相容性、生物可降解聚合物矩阵保存氛围类似于细胞外环境。缓慢的伤口治疗的过程是加速(165年]。细胞粘附、增殖、迁移和分化,biopolymeric矩阵提供了一个理想的微环境使用biopolymer-based伤口护理材料、三维交联聚合物网络可以保持伤口湿和含氧。由于伤口愈合敷料的使用,伤口是再生,预防和防止致病细菌。真皮和表皮组织愈合和再生依赖它。这种伤口愈合材料被确认为水凝胶,可以在局部治疗交付与时空上控制细胞,药物和多肽。水凝胶已被用于生物医学和治疗应用,如组织工程、再生医学治疗癌症和传染病,控制药物输送,和肽交付(166年]。水凝胶坚持申请网站形状提供更多治疗实际制定装载水凝胶在生物医学方面的应用。而水凝胶被认为是异常的生物相容性与聚(ethyleneglycol)(挂钩),基于盯住水凝胶、水凝胶用于被认为是极其生物相容性。高系统生成的生物材料生物相容性的挂钩和利用率从ECM增加细胞生长的分布167年]。结果,多功能伤口护理材料PEG-based交联水凝胶具有良好的加载组件,如细胞,药物,和肽,正在开发168年]。

6.4。生物打印

生物打印包括AMs在复杂的生产和生活功能组织,利用可以使细胞的生物相容性,支持组件和材料。在再生医学,生物制药产品通常用于支持组织和器官移植,特别是水凝胶的发展(169年]。有许多形式的生物打印,包括喷墨打印,在挤压。一项研究生成3 d细胞架构通过神经细胞表采用另一种人类多能胚胎性癌(NT-2)细胞和纤维蛋白凝胶喷墨打印方法(170年]。血管内皮生长因子(VEGF)在3 d-bioprinted支架海藻酸合并到一个矩阵的混合促进血管化明胶微粒。

开发的水凝胶含有透明质酸和semi-interpenetrating系统与右旋糖酐的基础上(171年]。神经干细胞的使用生产人工神经组织与胶原蛋白和有机印刷VEGF-releasing纤维蛋白凝胶。透明质酸的抗酸支架通过逐层沉积生物打印(创建7]。为了打印与细胞包含定制的牛排,许多这样的技术集成等结合天然聚合物糊精,明胶。这导致了复杂的材料的发展与生物活性通过添加生长因子如骨形成蛋白(BMP-2)使用精密加工技术(172年]。提到的许多生物打印方法可以调整和优化有或没有为骨组织工程细胞利用。印刷后的生存能力的细胞原位方法是许多相关问题的一部分细胞打印(173年]。新方法用于获得3 d cell-charged结构与应用了适当的机械和生物学性质collagen-based bioinks [174年]。聚合物的3 d打印技术在图所示6。

6.5。先进的功能性生物材料

为了设计和合成多功能高分子材料,更好的理解序列、结构和功能特性的天然聚合物中扮演着重要的角色。这些创新的人工生物材料自组装和刺激鼓励细胞接触和生长在特定条件下(176年,177年]。转录后的变化的复杂性限制了复杂和多功能蛋白质合成生物材料,利用细菌资源和目标基因的难题178年]。其他的变化是为了正确地控制空间和时间发布。结构和新创的发展设计蛋白质生物材料已经被发展更容易在基因治疗和操作方法179年]。由于多功能在蛋白质结构域的存在,产生了生物材料的结构与重要的多功能性,如细胞和酶域绑定的地方。新的生物材料的设计和生产基于人工蛋白质已经承诺最近在基因工程。与本地同行相比,这些生物材料具有独特的性能,如改善纤维的自组装体系结构(180年,181年]。选择的重要生活必需品bioink 3 d打印技术在生物材料特性如图7。

6.6。材料和制造的进展和趋势

最佳生物材料的选择将是一个有效的治疗生物打印相关组织的重要组成部分。这些材料的可用性和知识的基础上,大量的聚合物在生物打印阶段检查传统3 d打印技术和织物生产(183年]。然而,在bioprint应用程序中,生理上并不是最合适的材料。这些生理上非常活跃,导致细胞接触不当和过早或不受欢迎的分化的干细胞184年]。目前把重点放在新生物聚合物和水凝胶,它模仿更好nanostructural ECM和其他成分的特点和反应真实的组织微环境。但这些新水凝胶和生物聚合物更多的生物相容性并不一定适合传统的生物打印方法(185年]。许多缺乏优化生物打印的结构稳定性和可以崩溃如果他们太软。一个有趣的研究领域是优化这些生物聚合物的微体系结构。物质结合的增殖和cytocompatible影响软材料优化他们的用处,一个物质的力学性能(186年,187年]。例如,利用一个“综合组织器官打印机”把公司放在柔软的水凝胶的细胞支架。磷酸三钙与明胶和透明质酸生物打印可以成功地结合188年]。一般来说,生物打印过程的有效性增强。现有的生物打印方法耗费时间,目前不能可靠地供应所需细胞的数量不同的组织类型。

如前所述,细胞形状的变化,改变了信号通路,甚至细胞死亡往往是由于实施强行通过印刷工艺(189年]。为了更高效的细胞死亡和损失,巨大的努力参与每个生物打印项目。改进方法来监测和评估细胞死亡是解决方案的一部分。血管网络可能转换生物打印进实验室的主要任务的生产功能组织(190年]。甚至最小的复杂性的组织将无法生存没有适当的营养输送渠道和废物清除。体内,氧的扩散受到组织的血管网络,超出100 - 200毫米。受感染的组织会有营养限制没有血管网络,导致组织发展不足或坏死(191年]。为了正确完美的打印的组织,及早预防死亡的发展必须建立网络的组织和内皮连接和增长。开发过程的结果,所有任务在正常发展必须由血管结构,包括选择性的维修浪费和营养障碍,和炎症反应、凝固,和其他自我平衡的过程192年,193年]。今天,bioprints问题大多是有关印刷分辨率和速度的限制。毛细血管,例如,可以有一个直径约3毫米,而液滴的20毫米目前使用的分辨率激光生物。

传统方法或加法制造可用于创建骨支架。孔隙大小、形状、分布和互联性的毛孔都是使用传统的方法难以管理。添加活细胞在传统程序非常不可能因为生产环境。如果毛孔分布以意想不到的方式,它可以在细胞分布和产生负面影响,最终,新组织的发展。其他有机溶剂里留下支架微结构可以影响细胞的生存和功能。由于低成本项目和简单的仪器,这些技术仍然是工作今天194年]。由于缺乏危险溶剂是程序的情况下,支架的生物相容性也大大提高。如果有必要,支架可以用两个或两个以上的材料建造的。尽管SLA、SLS、高分辨率的适用性制造骨支架是极其有限的。光敏聚合物所需SLA用于骨组织的生物相容性很低。由于高强度激光束,SLS一般不用于骨组织的应用程序。尽管低分辨率和有限的材料选择,FDM无溶剂和超净过程可能是最大的技术将活细胞,这就可以解释为什么FDM-created PCL骨支架获得FDA的批准。

即使印刷分辨率增加到了这样一种程度,可以产生一个复杂的毛细管网,时间和当前可用的技术是禁止的195年]。细胞生存能力可能受到影响,如果印刷不能快速完成。考虑到这些问题,提出了一些解决办法。其中一个最有前途的是试图体内血管形成的血管生成物质生物医学组织植入物,诱导宿主血管生长。这个方法必须精炼,尽管令人鼓舞的结果(196年,197年]。另外,血管网络的合成起源一直未遂。而生物打印的血管直径大,已经成功,综合创建小微血管移植只有不到5毫米显示可怜的可专利性和现在是不现实的198年]。不当,组织死亡的基本问题预防和及时的发展成熟,功能血管仍有待克服(199年]。

6.7。挑战和未来的发展方向

两种类型的组织工程存在困难:小说bioink研发为特定组织或通用bioink所有组织和监管范畴。理想情况下,一个通用bioink必须是生物材料混合,促进生存在血管和神经自然组织的夹层,化学指标和生长因子。可以克服这些挑战提供新技术,如添加剂制造,它允许复杂的织物的生产。血管化是其中一个最重要的困难开发可持续的血管生成的解决方案涉及血管生成生长因子、血小板增加,骨髓凝块和生物反应器。以来无数头装有细胞类型可以使用生物,脉管系统放在一个3 d的印记。牺牲生物材料的使用在皮肤是另一种方法来解决血管化。牺牲材料提供机械支持整个建筑的3 d印刷过程。在后处理,处理建筑物的通道或空地区建筑可以快速溶解或删除循环通道。

石墨烯及其复合材料和金属纳米粒子也至关重要,填料生物聚合物增强他们的力学特性,如拉伸、效果,弯曲,和其他结构性品质在医疗应用程序中,创建必要的生物材料。使用人工合成的生物聚合物的主要问题biocomposites是机械的行为和分散不足。填料产生聚结矩阵的生物聚合物与缺陷导致的界面连接结构谐波和不完美的力学特性。结果是大量的额外的不同寻常的特性,如易受高温、湿度、冲击强度低、保质期等。未来的指导方针导致新的生物材料以满足上述问题和经济可行性,回收,环保。

7所示。结论

石油合成聚合物的生物聚合物是最棒的选择与可再生,可降解,和环保的特点。不支持生物聚合物的机械性能,如高强度拉伸,冲击强度,弯曲力和热稳定性。然而,他们可以使用他们的陶瓷复合材料进行承载应用程序使用机械强度。有更多地关注,发明和改进通过强化元素适应biocomposite微观结构特性,标准的混合技术。(我)这些复合材料等其他不寻常的品质对高温敏感,易受水分,低的影响,和保质期(2)为了解决特定因素和经济可行性,再循环能力,和环保的方式,未来方向导致新的生物材料。这种组合的合成和天然高分子化学本质上导致生物医学应用因为聚合物结构管理会导致功能被操纵(3)生物可以自动化装配过程并允许生物聚合物的预编程序和复杂的操作,从大分子到活细胞。这样做是为了实现体系结构和生化复杂性从未实现的尤其是在生物医学领域的组织工程和再生医学(iv)组织工程产生了自然和合成聚合物通过3 d打印技术,和其他各种材料已经开发出来。结合聚合物、纤维和粒子开发生产材料增强的生物活性、生物相容性、物理和化学品质

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。要进一步的数据或信息,这些都可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢钦奈理工学院,钦奈,和Saveetha工程学院SIMATS,钦奈,技术援助。作者感谢罗大学的支持,Kombolcha理工的埃塞俄比亚。本研究进行的罗大学的就业Kombolcha理工的埃塞俄比亚。

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