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挤出生物打印原理
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气动式: 利用压缩空气驱动生物墨水或生…挤出生物打印
挤出生物打印原理
挤出生物打印利用机械力将生物墨水或生物材料溶液挤出形成连续的丝状结构并逐层堆叠构建出三维结构。根据所使用的机械力挤出生物打印可分为三种类型
气动式: 利用压缩空气驱动生物墨水或生物材料溶液通过针头挤出。
活塞式: 利用活塞机械驱动生物墨水或生物材料溶液通过针头挤出。
螺杆式: 利用螺杆机械驱动生物墨水或生物材料溶液通过针头挤出。
挤出生物打印设备
典型的挤出生物打印系统由以下部分组成
打印头: 负责将生物墨水或生物材料溶液挤出。
三轴定位系统: 用于控制打印头的移动实现精确的打印路径。
打印平台: 生物墨水或生物材料溶液沉积的表面。
温度控制系统: 用于调节生物墨水和打印平台的温度控制凝胶化过程。 挤出生物打印流程
1.加载生物墨水: 将生物墨水或生物材料溶液加载到注射器中。
2.打印路径规划: 设计三维结构的打印路径。
3.打印: 控制打印头沿着打印路径移动将生物墨水或生物材料溶液挤出并逐层堆叠构建三维结构。
4.交联: 利用离子、热、光或酶交联机制将生物墨水或生物材料溶液固化成三维结构。 关键影响因素
生物墨水特性: 包括粘度、表面张力、润湿性、交联机制和机械强度等。
打印参数: 包括打印压力、速度、温度、喷嘴尺寸和打印路径等。
过程诱导力: 包括压力、剪切应力和拉伸应力等可能导致细胞损伤。
交联: 交联速度和强度影响构建的稳定性和力学性能。 挑战
打印分辨率: 挤出生物打印的分辨率受到针头尺寸的限制难以实现细胞级别的打印。
细胞活力: 过程诱导力可能导致细胞损伤影响构建的功能性。
血管化: 构建血管网络为细胞提供养分和氧气是组织再生的重要环节。
生物墨水选择: 选择合适的生物墨水需要考虑其生物相容性、降解性和力学性能等因素。 关键问题和未来发展方向
关键问题
打印性能: 包括打印分辨率、细胞活力和结构完整性等需要优化生物墨水和打印参数。
细胞功能: 包括细胞粘附、增殖、分化和组织再生等需要开发生物相容性和生物活性良好的生物墨水。
血管化: 构建血管网络为细胞提供养分和氧气是组织再生的重要环节。
伦理和安全: 需要考虑生物墨水和细胞的来源以及生物打印的安全性和有效性。 未来发展方向
多材料打印: 利用多种生物墨水构建更复杂的结构模拟天然组织的异质性。
协同打印: 利用多个喷嘴或特殊打印技术实现更精细的打印分辨率和结构控制。
血管化: 构建血管网络为细胞提供养分和氧气促进组织再生。
生物分子控制释放: 通过微纳米颗粒或智能材料控制生长因子的释放调节细胞行为和功能。
机器学习: 利用机器学习算法优化打印参数预测生物墨水和构建的特性提高打印效率和成功率。
嵌入式打印: 利用支撑介质实现更复杂的结构和更高的打印分辨率。
混合打印: 将挤出生物打印与其他打印技术结合例如电纺构建更复杂的结构和环境。
生物材料创新: 开发具有更优异的生物相容性、生物活性和力学性能的生物墨水。 总结
挤出生物打印是一种强大的技术可以用于构建复杂的生物结构。通过深入了解其原理、设备和流程以及关键影响因素我们可以克服挑战并推动挤出生物打印技术的发展为组织工程和再生医学领域带来更多突破。未来随着技术的不断进步和创新挤出生物打印将发挥更大的作用为人类健康带来更多福祉。
参考文献
Chen XB, Fazel Anvari-Yazdi A, Duan X, et.al. Biomaterials / bioinks and extrusion bioprinting. Bioact Mater. 2023 Jun 27;28:511-536.
