诱导的多能干细胞(IPSC)技术已彻底改变了各种领域,包括干细胞研究,疾病建模和再生医学。基于IPSC的模型的演变已从常规的两局系统转变为更加生理相关的三维(3D)模型,例如球体和器官。尽管如此,仍然存在挑战,包括创建复杂的3D组织几何形状和结构,现有3D模型中坏死核的出现以及有限的可扩展性和可重复性的局限性。3D生物打印已成为一种革命性的技术,可以促进具有高扩展性和可重复性的复杂3D组织和器官的发展。这种创新的方法有可能有效弥合iPSC模型和体内复杂3D组织之间的差距。本综述着重于IPSC的生物打印的当前趋势和进步。具体来说,它涵盖了生物印刷和生物互联设计的基本概念和技术,回顾了IPSC生物启动研究的最新进展,特别关注生物构图未分化的IPSC,并通过讨论现有的局限性和未来前景来得出结论。
摘要:生物打印是一种新型再生医学领域,其中组织或器官的体内生物制造由两种需求驱动,一是器官移植,二是精确的组织模型。生物打印于 1988 年首次由 Klebe 展示。他使用标准惠普 (HP) 喷墨打印机通过细胞刻蚀技术沉积细胞。创建模拟身体组织的载细胞 3D 结构的能力不仅在组织工程中,而且在药物输送和癌症研究中也适用。对于组织工程支架的制造,生物打印可以提供患者特定的空间几何形状、受控微结构和各种细胞类型的定位。在过去的几十年里,三维生物打印被广泛应用于构建许多组织/器官,如皮肤、血管、心脏等,这不仅为器官替代的宏伟目标奠定了基础,还可以用作药代动力学、药物筛选等的体外模型。由于传统技术无法制造具有所需结构、机械和生物复杂性的构造,因此对开发组织和器官的替代制造方法的需求日益增加。3D生物打印是一种增材制造技术,它使用“生物墨水”逐层构建设备和支架。由于器官非常复杂,因此许多生物打印方法被用于克服各种应用的挑战。基于喷嘴的技术,如喷墨和挤压打印,以及基于激光的技术,如立体光刻和激光辅助生物打印,可以提高细胞活力、分辨率和打印保真度。本文定义了不同的制造技术,即基于激光、基于挤压、立体光刻和基于喷墨的生物打印。讨论了每种技术的优势、针对不同组织类型的当前研究现状、挑战和前景。
再生医学是即将到来的医学领域,重点是代替因创伤和疾病过程而损失的组织。它采用组织工程原理来再生组织以恢复形式,功能和美学。在全球许多受影响的人中需要替代丢失的组织,开发一个个性化的,预测的治疗选择是需要小时。三维(3D)生物打印是使用增材制造的一种组织工程方法的一种形式,该形式使用3D成像方式和计算机辅助设计软件在三维生物构图组织和器官中逐层使用多种生物材料以定制和特定的模式划分[1]。这项技术的多功能性,定制和精确性为其与其他基于脚手架的再生方式相比具有优势,这无法模仿复杂组织的复杂结构,生物学和空间分布[2]。它具有生物打印组织和器官的潜力,从而减少了器官移植的指数需求。它也将使体外组织模型的生物打印用于药物分析,从而减少了动物模型测试的需求。此外,使用添加剂制造的3D打印技术比减法制造和常规制造更具环境友好。将主要天然组件用于生物打印应用,使它们更加生物相容性,可生物降解和环境友好。它在制药和医疗保健行业中已广泛使用。随着生物医学和组织工程方法的进步,3D生物打印已成为潜在的灵丹妙药,使3D生物打印组织和器官成为现实。我们现在正处于具有四维(4D)印刷的新制造时代的悬崖上,这也考虑了时间的第四维度。
摘要:在生物材料的背景下,工程细菌的生物打印对于合成生物学的应用引起了极大的兴趣,但是到目前为止,只有少数可行的方法可用于打印托管活的Escherichia大肠菌细菌的凝胶。在这里,我们基于廉价的藻酸盐/琼脂糖墨水混合物开发了一种温和的基于挤出的生物打印方法,该方法将大肠杆菌打印到高达10毫米的三维水凝胶结构中。我们首先表征了凝胶墨水的流变特性,然后研究印刷结构内细菌的生长。我们表明,通过添加过氧化钙的产生系统,可以促进印刷结构内深处的荧光蛋白的成熟。然后,我们利用生物生产物来控制依赖于其空间位置的细菌之间不同类型的相互作用。我们接下来显示了基于群体感应的化学交流,在生物打印结构内部位于不同位置的工程发件人和接收器细菌之间,并最终证明了通过非损伤细菌定义的屏障结构的制造,可以指导凝胶内趋化细菌的运动。我们预计,3D生物打印和合成生物学方法的结合将导致含有工程细菌作为动态功能单元的生物材料的发展。关键词:合成生物学,细菌,生物材料,生物打印,细菌交流,趋化性
癌性肿瘤是全球最致命的疾病之一,在2020年夺走了近1000万次生命。由于其复杂而动态的性质,准确地对肿瘤进行建模是一项具有挑战性的任务。当前模型的体外和体内结果之间的翻译不足,这主要是由于肿瘤的各向同性性质及其微环境的关系。为了解决这些局限性,基于水凝胶的3D生物打印正在成为模仿癌症发展和行为的有希望的方法。它提供了对癌症微环境中各个元素大小和分布的精确控制,并可以使用患者来源的肿瘤细胞而不是商业线。因此,预计水凝胶生物打印将成为癌症研究的最新技术。本手稿概述了癌症统计,当前的建模方法及其局限性。此外,我们强调了生物打印,其在癌症建模中的应用以及水凝胶选择的重要性。我们进一步探讨了使用3D生物打印为五种最致命的癌症创建模型的当前状态。最后,我们讨论了使用水凝胶生物打印的癌症建模的临床使用,讨论了当前的趋势和未来。
生物印刷是一项蓬勃发展的技术,在组织工程和再生医学中有许多应用。然而,大多数用于生物打印的生物材料取决于使用牺牲浴和/或非生理刺激的使用。可打印的生物材料在其组成和机械性能方面通常也缺乏可调节性。为了应对这些挑战,作者介绍了一种新的生物材料概念,他们称其为“可单击的动态生物联系”。这些生物学使用可以打印的动态水凝胶,并通过点击反应进行化学修饰,以在打印后使用印刷对象的物理和生化特性。特别是使用透明质酸(HA)作为感兴趣的聚合物,研究者研究了使用基于富酯的基于硼酸酯的交联反应来产生可打印和细胞增强的动态水凝胶,从而允许生物涂纸。通过生物正交点击部分对产生的动态生物学进行化学修饰,以允许使用带有互补点击功能的分子进行各种后印刷修饰。作为概念的证明,作者执行了各种后打印的修饰,包括调整聚合物组成(例如HA,HA,硫酸软骨素和明胶)和Sti效应,以及通过粘附性肽固定化(即,RGD peptide)来促进细胞粘附。结果还表明,这些修改可以在时间和空间中控制,为4D生物打印应用铺平了道路。
在活组织中,细胞在周围微环境中复杂的信号后表达其功能。在微观和宏观上捕获层次结构,以及各向异性细胞模式仍然是生物打印的主要挑战,以及用于创建生理上与生理相关的模型的瓶颈。解决此限制时,引入了一种新技术,称为嵌入式挤出 - 量化印刷(EMVP),融合的挤出生物构图和无层,超快速的体积生物打印,从而使空间模式多种墨水类型。轻响应性微凝胶是第一次以生物素(μ树脂)为基于光的体积生物打印的生物素(μ树脂),从而为细胞寄养和自组织提供了微孔环境。调整基于明胶的微粒的机械和光学特性,可以用作悬挂挤出打印的支撑浴,其中包含高细胞密度的功能可以轻松引入。μ树脂可以在几秒钟内将层析成像灯投影雕刻成厘米尺度,基于颗粒水凝胶的综合构建体。间质微伏增强了多个茎/祖细胞(血管,间充质,神经)的差异,否则常规的散装水凝胶不可能。作为概念验证,EMVP被应用于创建复杂的合成生物学启发的细胞间通信模型,其中脂肪细胞的分化受到光遗传学工程胰腺细胞的调节。总体而言,EMVP为生产具有生物功能的再生移植物以及开发工程生活系统和(代谢)疾病模型的新途径。
人体体外组织是嵌入生物材料(通常是水凝胶)的人体细胞体外 3D 培养物,可重现人体的异质、多尺度和结构环境。3D 组织和器官工程中使用的现代策略整合了自动化数字制造方法的使用,例如 3D 打印、生物打印和生物制造。人体组织和器官及其生理内和生理间的相互作用特别复杂。因此,人们越来越关注材料科学、医学和生物学与艺术和信息学的交叉。本报告介绍了生物墨水聚合的计算建模及其与生物打印的兼容性的进展、数字设计和制造在流体培养设备开发中的应用,以及生成算法在模拟体外组织的自然和生物增强中的应用。作为未来的发展方向,我们讨论了使用串联体外组织作为人体模拟系统及其在药物药代动力学和代谢、疾病建模和诊断中的应用。
健康和医疗系统医疗系统的可扩展性、临床质量和护理成本、数字和个性化医疗、植入物和细胞工厂能力、药物输送系统、远程医疗、医疗保健分析、医疗保健运营、紧急护理物流、植入物制造和生物打印、以及人体技术和 AR/VR 设备。