【前沿】生物醫療3D打印材料全集錦
近些年來，3D打印技術的發展不光局限于航天航空、汽車等制造業。其在于人類生活息息相關的生物醫療科技領域也快速進步，與仿生技術、組織工程學、生命科技緊密結合，在醫療行業大放光彩！
康奈爾大學機械工程與計算機科學技術教授胡迪·利普森提出了一個“3D打印生命階梯”的概念，生動地展現了3D打印技術在醫療領域的發展藍圖。
“3D打印生命階梯”的底層為無需留在體內的醫療器械，包括醫療模型、診療器械、康復輔具、假肢等；中層是”簡單的活性組織如骨骼與軟骨”，即個性化永久植入物，使用鈦合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料通過3D打印骨骼、軟骨、關節、牙齒等產品，通過手術植入人體；再往上是靜脈和皮膚；靠近階梯頂層的是復雜且關鍵的器官，如心臟、肝臟和大腦。最后，生命階梯的頂層將是完整的生命單位——也許有一天將會是具備完整功能的人造生命形式。
2010年6月，由美國Organovo公司研制的、“按需打印”患者所需的人體活器官的機器，被稱為生物3D打印機（3D bio-printer；3D biology printer ）。該項技術被《時代周刊》評為2010年50項最佳發明之一。
3D生物打印模式圖
根據“分層制造，逐層疊加”的原理，生物3D打印機根據計算輔助設計的三維模擬“藍圖”，以生物醫用高分子材料、無機材料、水凝膠材料和活細胞（及其相關細胞因子）作為“生物墨水”，在生物相容性的支架材料上逐層添加打印材料，直至打印完成。
隨后，自然生成的細胞開始重新組織、融合，形成一個功能協調的有機整體。據最新研究報道，Organovo公司利用生物3D打印技術，成功打印出人體肝臟，并在離體培養條件下存活40天！
細胞3D打印過程
一定程度上，可以說生物3D打印技術真正的魅力，并不是技術本身，而在于技術所涉及的方方面面的生物打印材料。3D打印技術采用不同的“油墨”材料可以生產出各種人造器官和組織，能滿足臨床患者個體要求。金屬、樹脂、石膏、陶瓷、高分子、生物大分子等均被創造性地應用于3D打印以生產生物制品。
下面，我們將就生物3D打印中幾種常用的材料進行具體介紹。
1.水凝膠
由于水凝膠與天然軟組織細胞外基質在結構、組成和力學性質上的相似性，目前的細胞和組織打印技術主要是基于攜帶細胞的水凝膠的3D 沉積技術。
水凝膠是一種具有高水含量的親水性或雙親性聚合物三維網絡。由于水凝膠具有良好的生物相容性，以及與人體軟組織相似的力學性質，因此被廣泛應用于組織工程支架材料與藥物的可控釋放中。
目前，傳統的水凝膠制備方法主要是通過高分子鏈間的化學反應或物理相互作用，難以實現對水凝膠外部和內部結構的精確調控。而3D打印技術則能實現對材料外部形態和內部微結構的精確調控，有利于調控細胞的分布，以及材料與生物體的匹配，因此具有獨特的優勢。
康奈爾大學的Butcher以PEG-DA / 藻酸鹽復合原料制備了主動脈瓣水凝膠支架， 該水凝膠的彈性模量可變。制備較大的瓣膜可獲得更高的精確度。種植于水凝膠支架上的豬主動脈瓣間質細胞在培養21 天后具有接近100%的存活率。
3D打印的DNA水凝膠材料
對于3D打印成型的攜帶細胞水凝膠支架的基本要求包括：
( 1 ) 水凝膠在工作臺沉積后能快速原位成型，并維持初始沉積的形狀；
( 2）保持細胞活性和功能；
( 3 ) 打印成型的支架容易進行后處理。
隨著3D打印技術應用于生物醫用材料的興起，科研工作者對水凝膠的研究也取得了諸多進展。如Gauvin以甲基丙烯酸酯修飾的明膠為原料，制備了可作為個性化組織工程支架材料使用的水凝膠，并進行了體外細胞培養實驗研究。
(責任編輯：admin)
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