生物組織模擬材料的案例
3D生物打印模擬血管組織
2018年8月28日，南極熊從外媒獲悉，布里格姆婦女醫(yī)院的研究人員開發(fā)了一種3D生物打印管狀結(jié)構(gòu)的方法，可以更好地模擬人體內(nèi)的天然血管和導(dǎo)管。 3D生物打印技術(shù)允許微調(diào)打印組織的特性，例如層數(shù)和運(yùn)輸營養(yǎng)素的能力。 這些更復(fù)雜的組織為受損組織提供了潛在可行的替代品。
“體內(nèi)的血管不均勻，”該研究的資深作者，BWH醫(yī)學(xué)系的生物工程師Yu Shrike Zhang博士說。 “這種生物打印方法可以生成復(fù)雜的管狀結(jié)構(gòu)，模仿人體系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)，比以前的技術(shù)具有更高的保真度。”
為了制作生物3D打印機(jī)的“墨水”，研究人員將人體細(xì)胞與水凝膠混合，水凝膠是一種由親水聚合物組成的柔性結(jié)構(gòu)。然后，他們優(yōu)化了水凝膠的化學(xué)性質(zhì)，使人體細(xì)胞在整個混合物中增殖。
接下來，他們用這種生物墨水填充3D生物打印機(jī)的墨盒。他們還開發(fā)了一種定制噴嘴，可以連續(xù)打印最多三層的管狀結(jié)構(gòu)。研究人員解釋說：“這些可灌注的管狀結(jié)構(gòu)可以在生物打印管的長度上以規(guī)則的間隔從單層連續(xù)調(diào)整到三層。”
許多疾病損害管狀組織：動脈炎，動脈粥樣硬化和血栓形成損傷血管，而尿路上皮組織可能遭受炎性病變和有害的先天性異常。
研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以打印出模仿血管組織和尿路上皮組織的組織。他們將人尿路上皮和膀胱平滑肌細(xì)胞與水凝膠混合，形成尿路上皮組織。為了打印血管組織，他們使用人內(nèi)皮細(xì)胞，平滑肌細(xì)胞和水凝膠的混合物。
打印管具有不同的尺寸，厚度和性質(zhì)。 Zhang表示，生物打印組織的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性對其作為天然組織替代品的可行性至關(guān)重要。那是因?yàn)樘烊?em>組織很復(fù)雜。例如，血管由多層組成，而多層又由各種細(xì)胞類型組成。
該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)進(jìn)行臨床前研究，以在測試安全性和有效性之前優(yōu)化生物墨水成分和3D打印參數(shù)。
“我們目前正在進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)和生物材料，”Zhang說。
展開 Mater.》綜述：基于生物材料的腫瘤組織工程平臺
組織工程為癌癥研究提供了創(chuàng)新工具。基于分子設(shè)計(jì)的生物材料的3D癌癥模型旨在利用腫瘤組織的維度以及生物力學(xué)和生化特性。然而，迄今為止，盡管細(xì)胞外基質(zhì)在癌癥中起著關(guān)鍵作用，但只有少數(shù)3D癌癥模型建立在基于生物材料的基質(zhì)上。避免這一關(guān)鍵設(shè)計(jì)特征的主要原因是難以重現(xiàn)腫瘤微環(huán)境的固有復(fù)雜性以及實(shí)用分析和驗(yàn)證技術(shù)的可用性有限。在超分子化學(xué)、材料科學(xué)和腫瘤生物學(xué)界面上出現(xiàn)的最新進(jìn)展正在產(chǎn)生新的方法來克服這些界限，并能夠設(shè)計(jì)生理相關(guān)的3D模型。
近日，來自澳大利亞蒙納士大學(xué)的Alvaro Mata & Daniela Loessner團(tuán)隊(duì)討論了如何將這些3D系統(tǒng)應(yīng)用于解構(gòu)和設(shè)計(jì)腫瘤微環(huán)境，為模擬原發(fā)性腫瘤，轉(zhuǎn)移和對抗癌治療的反應(yīng)提供了機(jī)會。相關(guān)論文“Biomaterial-based platforms for tumour tissue engineering”于2023年2月14日在線發(fā)表于雜志《Nature Reviews Materials》上。
在腫瘤組織工程中，生物材料是構(gòu)建能夠模擬實(shí)體腫瘤組織維度、組織和功能的三維癌癥模型的關(guān)鍵成分。基于合成聚合物、生物聚合物和肽等構(gòu)建塊的各種水凝膠和支架材料用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用，并用作3D癌癥模型的基礎(chǔ)基質(zhì)。新的工程方法能夠合理設(shè)計(jì)具有多種結(jié)構(gòu)和信號成分的水凝膠和支架材料，以更準(zhǔn)確地再現(xiàn)腫瘤微環(huán)境（TME）的異質(zhì)性。作者首先介紹了腫瘤生物學(xué)中的關(guān)鍵參數(shù)（癌相關(guān)成纖維細(xì)胞（CAF）、免疫細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、ECM蛋白和可溶性分子（如細(xì)胞因子、趨化因子或生長因子）），并介紹了用于模擬腫瘤組織的細(xì)胞組成和ECM的現(xiàn)有工具（圖1）。
展開 ：雙功能可注射血管生成生物材料用于中風(fēng)腦組織修復(fù)
因而，可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同的血管和軸突生產(chǎn)的神經(jīng)組織修復(fù)過程。可見，利用生物材料方法能夠在已經(jīng)死亡的組織內(nèi)產(chǎn)生再生神經(jīng)元連接的血管化網(wǎng)絡(luò)，并且為使用血管生成材料修復(fù)其他神經(jīng)病變組織奠定了基礎(chǔ)。
文獻(xiàn)鏈接：Dual-function injectable angiogenic biomaterial for the repair of brain tissue following stroke (Nat. Mater. 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0083-8)
哈佛大學(xué)Yu Shrike Zhang教授《先進(jìn)材料》：3D生物打印精準(zhǔn)構(gòu)建復(fù)層空腔組織的最新研究
將血管細(xì)胞（內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞）、尿道細(xì)胞（上皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞）分別與復(fù)合水凝膠混合后，利用MCCES打印復(fù)層管腔組織，體外培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞活力在80%以上，細(xì)胞在水凝膠支架材料上可以充分鋪展生長，表達(dá)血管內(nèi)皮細(xì)胞（CD31/VE-Cadherin)和血管平滑肌細(xì)胞（SMA）等特異標(biāo)志物。
該項(xiàng)工作首次采用自行研發(fā)的同軸多通道生物打印系統(tǒng)（MCCES）可調(diào)控性構(gòu)建復(fù)雜空腔組織設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了不同亞層結(jié)構(gòu)一次性同步準(zhǔn)確構(gòu)建的設(shè)想。實(shí)驗(yàn)證實(shí)血管、尿道等空腔組織可以通過該新型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，快速構(gòu)建含有不同功能細(xì)胞的復(fù)層空腔結(jié)構(gòu)。該研究系統(tǒng)有望用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空腔組織或器官的精準(zhǔn)構(gòu)建，體外血管、腸道、泌尿系統(tǒng)等空腔臟器疾病模型模擬、藥物篩選、組織移植替代物等諸多領(lǐng)域。
該工作日前發(fā)表于生物材料領(lǐng)域頂級期刊Advanced Materials,由哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu Shrike Zhang課題組完成。加州大學(xué)洛杉磯分校Ali Khademhoseini教授為共同通訊作者。論文第一作者為哈佛大學(xué)博士后皮慶猛博士，來自上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院整形外科。共同作者還包括哈佛大學(xué)博士后Sushila博士, 南京大學(xué)燕翔博士，及北京航空航天大學(xué)劉肖博士。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201706913
來源：高分子科學(xué)前沿
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Mater.》綜述：電活性生物材料和系統(tǒng)用于調(diào)控干細(xì)胞命運(yùn)和組織再生的進(jìn)展
在組織發(fā)育與再生過程中，細(xì)胞和組織微環(huán)境（包括細(xì)胞間相互作用、可溶性因子和細(xì)胞外基質(zhì)等）在調(diào)節(jié)細(xì)胞行為和組織功能方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。因此，模擬天然組織/細(xì)胞微環(huán)境的功能性生物材料在組織再生應(yīng)用中具有巨大的潛力。其中，電活性生物材料，包括導(dǎo)電性材料和壓電性材料，不僅能作為細(xì)胞粘附和結(jié)構(gòu)支撐的支架，更重要的是能夠可以同時調(diào)節(jié)細(xì)胞/組織的行為和功能。在此基礎(chǔ)上，電刺激可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)許多生物學(xué)過程，從細(xì)胞增殖、遷移、和分化到神經(jīng)傳導(dǎo)、肌肉收縮、胚胎發(fā)生和組織再生等。
圖1 細(xì)胞與仿生細(xì)胞外基質(zhì)之間的動態(tài)機(jī)械相互作用。
中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳研究員課題組近年來一直致力于研發(fā)電活性生物材料和自驅(qū)動器件，將其用于藥物遞送、干細(xì)胞分化調(diào)控和組織再生、生物傳感、癌癥治療等應(yīng)用方向（詳見課題組網(wǎng)頁：https://www.x-mol.com/groups/lilinlin）。最近，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)綜述了電活性生物材料和系統(tǒng)用于調(diào)控干細(xì)胞命運(yùn)和組織再生的最新進(jìn)展和未來研究方向。首先，詳細(xì)介紹了內(nèi)源性生物電和壓電的生物學(xué)基礎(chǔ)。接著，討論了模擬細(xì)胞和組織微環(huán)境的電活性生物材料和電刺激遞送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，以及介導(dǎo)的電刺激和相關(guān)細(xì)胞信號通路。然后，總結(jié)了電活性生物材料在調(diào)節(jié)干細(xì)胞命運(yùn)和組織再生方面的最新進(jìn)展，特別是在神經(jīng)再生、骨組織工程和心臟組織工程方面的應(yīng)用。
展開 微流控生物打印細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)仿真初探 ￥800
<p>具有特定生物和機(jī)械性能的3D功能性組織結(jié)構(gòu)在再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域相當(dāng)重要。但是，高度組織化、功能性的3D組織的發(fā)展仍面臨一個未解決的挑戰(zhàn)。在 體外重現(xiàn)包括多種細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的3D多級結(jié)構(gòu)是一個相當(dāng)不容易的任務(wù)。在這樣的背景下，生物打印作為一種有潛力制備仿生3D組織結(jié)構(gòu)的新技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。生物打印可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的精確定位。數(shù)字化可調(diào)微流控3D生物打印是當(dāng)今研究的一個熱點(diǎn)。
淺談醫(yī)學(xué)或生物組織建模與分析流程
手術(shù)模擬(Surgical simulation)
手術(shù)模擬起到了醫(yī)生和工程師的橋梁作用.通常的手術(shù)操作包括:剪,移動,重新定位,重構(gòu).在得到了3D模型之后,這些操作都可以在相關(guān)軟件中進(jìn)行模擬分析.
相關(guān)的軟件有: Mimics, SurgiCase等.
(最后專門介紹FEA的流程)
7.有限元分析流程
A.建立幾何模型(Geometric Model and Mesh)
可以通過圖像分割技術(shù)得到3D幾何模型,同時利用相關(guān)軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分. (Mimics, 3D slicer, Hypermesh)
B.確定邊界條件(Boundary Condition)
邊界條件傳統(tǒng)意義上一般包含:加載的力,初始的位置,物體的空間邊界等.(Hypermesh, Ansys, Abaqus)
C.選擇本構(gòu)模型(Constitutive Model)
本構(gòu)模型一本包含linear elasticity, nonlinear, visco-elasticity等等.(Hypermesh, Ansys, Abaqus)
D.輸入材料性質(zhì)參數(shù)
材料的性質(zhì)參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)或查找文獻(xiàn)獲取.(Hypermesh, Ansys, Abaqus)
E.進(jìn)行仿真分析與結(jié)果查看
(Ansys, Abaqus等)
展開 通過仿真分析高強(qiáng)度超聲聚焦技術(shù)在生物組織中的傳播
高強(qiáng)度超聲聚焦（High-intensity focused ultrasound，HIFU）是一種用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的非侵入性技術(shù)，包括手術(shù)、癌癥治療和沖擊波碎石術(shù)。當(dāng)施加高強(qiáng)度聚焦超聲時，超聲波在焦點(diǎn)上耗散實(shí)現(xiàn)組織凝結(jié)和消融。我們可以通過仿真進(jìn)一步分析該技術(shù)的聲學(xué)特性和非線性性質(zhì)。
用于醫(yī)療的超聲聚焦
超聲聚焦是一種在臨床應(yīng)用中廣泛使用的技術(shù)，它聚焦身體的特定區(qū)域，并能防止損害周圍健康組織的風(fēng)險(xiǎn)。高強(qiáng)度聚焦超聲與超聲成像類似，但它是一種侵入性較小的技術(shù)。這種技術(shù)使用較低的頻率，減少了其他治療方法中常見的副作用。
高強(qiáng)度超聲聚焦使用帶有聚焦透鏡的超聲波換能器，其發(fā)射的信號可以在聚焦區(qū)內(nèi)達(dá)到較高的強(qiáng)度水平。當(dāng)信號達(dá)到高幅值時，非線性效應(yīng)變得明顯并產(chǎn)生高次諧波。使用 COMSOL Multiphysics? 軟件和聲學(xué)模塊，我們可以對高強(qiáng)度聚焦超聲通過耗散介質(zhì)的非線性傳播進(jìn)行建模。
在焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)模擬超聲波信號
本教程模型中使用的換能器外殼和鏡頭被假定為剛性的。半徑為（r）和孔徑為（a）的球面透鏡發(fā)出一個五個周期聲波脈沖，聚焦在位于組織中的焦點(diǎn) F。信號的振幅為 0.1MPa，中心頻率為 1MHz，在傳播過程中只會涉及有限的部分域。當(dāng)信號傳播時，振幅足以產(chǎn)生高階諧波，但不足以形成激波，這意味著不需要能夠捕獲激波的功能。
二維軸對稱幾何模型的圖解。
我們可以使用以下公式計(jì)算從信號到焦點(diǎn)的傳播時間：
其中，c 是聲速，d 是相應(yīng)材料中的傳播距離。
使用 COMSOL Multiphysics 5.6 版提供的非線性壓力聲學(xué)，時域顯式 接口，我們可以模擬流體中的有限幅值高聲壓級非線性波。在本教程中，該接口使用間斷伽遼金有限元法(dG-FEM)，以雙曲守恒律的形式求解非線性聲學(xué)方程組。
展開 西班牙生物3D打印肌肉組織，用于開發(fā)軟體機(jī)器人！
近年來，生物3D打印移植物已經(jīng)取得了不錯的成績，包括肋骨、甲狀腺、顱骨、半月板等等。最近西班牙加泰羅尼亞生物工程研究所的智能納米生物設(shè)備團(tuán)隊(duì)又錦上添花，3D打印出用于軟體機(jī)器人的肌肉組織。
生物學(xué)軟體機(jī)器人是一門新的學(xué)科，它能改善傳統(tǒng)機(jī)器人的靈活性、反應(yīng)能力和適應(yīng)性等等。深入研究生物3D打印，有利于制造出更有用的產(chǎn)品，因?yàn)?D打印在速度、設(shè)計(jì)、形狀、材料定制和可擴(kuò)展性等方面都有一定的優(yōu)勢。
在研發(fā)過程中，研究人員使用了高度對齊的肌管構(gòu)成的3D打印生物執(zhí)行器，其中，肌管指的是骨骼肌的多核纖維。肌肉在某柱形裝置處打印，同時由該柱形裝置測量肌肉功能，分析基因表達(dá)，以評估肌肉對運(yùn)動的反應(yīng)。“肌肉運(yùn)動具有一定的功能性和敏感性，產(chǎn)生的力量可以按需調(diào)整。
事實(shí)證明，這種生物系統(tǒng)可以用于機(jī)器人設(shè)備，使機(jī)器人的性能更加接近真實(shí)的生物性能，從而顯著提高整體的應(yīng)用效果。相關(guān)工作人員表示。 “也許這是開發(fā)能夠抓握或行走的軟體機(jī)器人的關(guān)鍵。”
（來源：三迪時空）
展開 突破：生物3D打印肝臟組織移植手術(shù)成功，小鼠細(xì)胞生存活力高
導(dǎo)讀：2021年7月20日，南極熊獲悉，韓國3D生物打印機(jī)制造商T&R Biofab首次通過生物打印技術(shù)成功制造了肝臟組織，并將其移植到動物試驗(yàn)對象體內(nèi)。如果未來有一天3D打印人類肝臟可以移植到患者體內(nèi)，你也不要覺得不可能。
T&R biofab研究人員采用一臺改良型3DX生物打印機(jī)，將球形微組織塑造成結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)復(fù)制了人類肝臟內(nèi)的 "小葉"。一旦植入實(shí)驗(yàn)室小鼠體內(nèi)，所產(chǎn)生的 "微器官 "顯示出良好的生存能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有可能使它們向未來的肝臟再生療法邁出重要一步。
T&R Biofab公司科學(xué)戰(zhàn)略主管Paulo André Marinho說："我們的研究重點(diǎn)是，3D生物打印實(shí)際上可以使細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。我們制作了一種表型相關(guān)的組織，一旦注入動物體內(nèi)，其增殖效果大大優(yōu)于沒有結(jié)構(gòu)的3D打印對應(yīng)物。此外，它似乎是第一個成功地完全生物打印高度組織化的構(gòu)造，移植后幾乎沒有觀察到細(xì)胞死亡或纖維化的組織。"
△研究人員開發(fā)的3D生物打印和植入技術(shù)。圖片來自《Advanced Materials journal.》
生物打印的肝小葉
一般來說，人體是由幾個不同的多鱗片組織和器官組成的，肝臟是一個特別高度血管化的例子。在人類的肝臟中，大約80%是由被稱為肝小葉的小功能單元組成的，而3D生物打印技術(shù)的進(jìn)步正日益使復(fù)制這些構(gòu)件成為可能，并創(chuàng)建更厚、更可行的軟組織模型。
然而，培養(yǎng)這些肝細(xì)胞仍然被證明是困難的，特別是當(dāng)試圖為潛在的移植提供具有足夠血管化和細(xì)胞活力的生物打印器官。生物打印小葉的主要缺點(diǎn)之一在于用于創(chuàng)建它們的技術(shù)，因?yàn)榛谧贤饩€的方法往往需要使用交聯(lián)劑，而交聯(lián)劑可能對肝細(xì)胞有毒，破壞它們的活力。
展開 哥本哈根大學(xué)開發(fā)新的生物3D打印方法監(jiān)測復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)
由哥本哈根大學(xué)生物系教授領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的生物3D打印方法，用于監(jiān)測復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。
教授與德國的同事一起，將氧敏感納米粒子用于凝膠材料，可用于復(fù)雜，生物膜和組織樣結(jié)構(gòu)的3D打印。活細(xì)胞以及內(nèi)置化學(xué)傳感器。
3D打印是一種廣泛的技術(shù)，用于生產(chǎn)塑料，金屬和其他非生物材料中的物體。同樣，活細(xì)胞可以用生物相容性凝膠材料（bioinks）進(jìn)行3D打印，這種3D生物打印是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，例如在生物醫(yī)學(xué)研究中，干細(xì)胞以3D打印結(jié)構(gòu)培養(yǎng)，模仿組織和骨骼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這種嘗試缺乏對生物打印結(jié)構(gòu)中生長的細(xì)胞代謝活動的在線監(jiān)測，目前，這種測量很大程度上依賴于破壞性采樣。目前開發(fā)的解決方案正在申請專利。
在水凝膠中含有綠藻（衣藻）的生物3D打印結(jié)構(gòu)。圖片：Anja Lode，德累斯頓工業(yè)大學(xué)
該小組通過將發(fā)光氧敏感納米顆粒實(shí)施到印刷基質(zhì)中來開發(fā)功能化生物鏈。當(dāng)藍(lán)光激發(fā)納米粒子時，它們發(fā)出與局部氧氣濃度成比例的紅色發(fā)光 - 氧氣越多，紅色發(fā)光越少。可以用相機(jī)系統(tǒng)對生物打印的生物結(jié)構(gòu)上的紅色發(fā)光和因此氧的分布進(jìn)行成像。這允許氧氣分布和動力學(xué)的在線，非侵入性監(jiān)測，其可以映射到3D生物打印構(gòu)造中的細(xì)胞的生長和分布，而無需破壞性取樣。
重要的是納米粒子的添加不會改變生物聚合物的機(jī)械性能，例如在印刷過程中避免細(xì)胞應(yīng)力和死亡。
最近發(fā)表的研究證明了如何校準(zhǔn)和使用用傳感器納米顆粒功能化的bioinks，例如，用于監(jiān)測具有一種或幾種細(xì)胞類型的生物打印結(jié)構(gòu)中的藻類光合作用和呼吸作用以及干細(xì)胞呼吸。
這是3D生物打印的一個突破。
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中山大學(xué)付俊教授團(tuán)隊(duì)JMCB封面綜述：組織粘附型水凝膠生物電子學(xué)
近日，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，聚合物復(fù)合材料與功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室付俊教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在Journal of Materials Chemistry B雜志發(fā)表封面綜述文章：Tissue adhesive hydrogel bioelectronics，總結(jié)了近年來組織粘附型水凝膠在生物電子學(xué)器件方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了粘附型水凝膠的制備、粘附機(jī)理，粘附型導(dǎo)電水凝膠的制備及其在可穿戴傳感器件、電子皮膚、可植入傳感器等領(lǐng)域的代表性應(yīng)用研究進(jìn)展。文章的第一作者是中山大學(xué)2020級博士生李勝男，通訊作者是付俊教授。
圖1 組織粘附型水凝膠生物電子學(xué)的應(yīng)用
文章首先介紹了組織粘附型水凝膠與生物組織之間的主要粘附機(jī)制。水凝膠含有豐富的官能團(tuán)，可通過共價(jià)鍵作用（席夫堿，邁克爾加成）、非共價(jià)鍵作用（氫鍵，陽離子-π鍵作用）、界面機(jī)械互鎖等方式與組織相粘結(jié)，形成與組織緊密貼合的界面。同時，文章介紹了導(dǎo)電水凝膠的代表類型，如：電子導(dǎo)電水凝膠，離子導(dǎo)電水凝膠等，闡述了它們的典型的制備方法，分析了基于導(dǎo)電水凝膠的柔性傳感器的代表性進(jìn)展。
圖2 幾種代表性的組織粘附型水凝膠的粘附機(jī)制
將組織粘附機(jī)制應(yīng)用于導(dǎo)電水凝膠傳感器，可以制備出具有組織粘附型的水凝膠生物電子器件，國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了多種可粘附在皮膚或其它組織器官表面的導(dǎo)電水凝膠傳感器，實(shí)現(xiàn)了對人體運(yùn)動、汗液、脈搏、肌肉等多種信號的實(shí)時采集和傳輸。
展開 開啟生物基材料應(yīng)用新時代，2019國際生物基材料技術(shù)與應(yīng)用論壇精彩內(nèi)容介紹！
2019國際生物基材料技術(shù)與應(yīng)用論壇
2019年4月18-19日 寧波
論壇背景
根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)發(fā)布的報(bào)告顯示，自2015年以來，全球塑料垃圾的產(chǎn)生量持續(xù)增加，每年超過3億噸流入環(huán)境中, 預(yù)測到2050年將達(dá)到約120億噸。歐洲、亞洲等地區(qū)正在實(shí)行越來越嚴(yán)格的“禁塑令”以遏制塑料垃圾的蔓延。以“綠色、環(huán)保、可再生、易降解”著稱的生物基材料顯得尤為重要，迎來發(fā)展的黃金期。
根據(jù)歐洲生物塑料協(xié)會與調(diào)研機(jī)構(gòu)nova-Institute的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球生物塑料產(chǎn)能將從2018年的約211萬噸增加到2023年的約262萬噸，其中PLA、PHAs、PBAT等是增長的主要驅(qū)動力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，超過60%的生物塑料用于包裝相關(guān)的行業(yè)，其中食品和飲料行業(yè)是生物塑料的最大的應(yīng)用領(lǐng)域，2018年的市場值超過40億美元。預(yù)計(jì)到2027年底，相關(guān)的市場值將超過127億美元，在預(yù)測期內(nèi)該市場值復(fù)合年增長率為15.2％。作為中國新材料行業(yè)發(fā)展的重要組成，我國生物基材料行業(yè)保持20%左右的年均增長速度，總產(chǎn)量已超過600萬t/年，正值發(fā)展的上升期。
展開 采用椰棗纖維生物質(zhì)制造一種生物復(fù)合材料
由英國樸茨茅斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團(tuán)隊(duì)，采用椰棗纖維生物質(zhì)（生物質(zhì)是一個術(shù)語，包括來自植物、食品廢棄物和污水的廢料）開發(fā)了一種生物復(fù)合材料，可用于非結(jié)構(gòu)件，如汽車的保險(xiǎn)杠和車門襯里。
一種生物復(fù)合材料，采用椰棗纖維生物質(zhì)制成
由農(nóng)業(yè)廢棄物制成的復(fù)合材料可滿足汽車和造船行業(yè)對可持續(xù)性、輕量化和低成本的應(yīng)用需求。
該團(tuán)隊(duì)還包括來自劍橋大學(xué)、INRA（法國專門研究農(nóng)業(yè)科學(xué)的公共研究院——國家農(nóng)業(yè)研究院）以及法國南布列塔尼大學(xué)的研究人員。
與采用玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)的合成復(fù)合材料不同，椰棗纖維聚己內(nèi)酯（PCL）生物復(fù)合材料是完全可生物降解、可再生、可持續(xù)和可循環(huán)利用的。
這些研究人員在《Industrial Crops and Products》雜志中發(fā)表了一篇論文，他們在研究中測試了這種生物復(fù)合材料的力學(xué)性能。他們發(fā)現(xiàn)，椰棗纖維PCL擁有增大的拉伸強(qiáng)度，相比傳統(tǒng)的人造復(fù)合材料，獲得了更好的低速抗沖擊性。
作為這項(xiàng)研究的合著者，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)樸茨茅斯大學(xué)先進(jìn)材料與制造研究小組的Hom Dhakal博士說：“對椰棗纖維廢棄物生物質(zhì)作為輕量化復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的適用性研究，為利用這種材料去開發(fā)低成本、可持續(xù)和輕量化的生物復(fù)合材料提供了巨大的機(jī)會。這項(xiàng)研究帶來的影響將是極其巨大的，因?yàn)檫@些輕量化的替代產(chǎn)品有助于減輕汽車重量，從而減少燃油消耗和CO2排放。與玻璃纖維和碳纖維相比，生產(chǎn)這種可持續(xù)的材料消耗的能源更少，而且可生物降解，因此更易于回收。”
這項(xiàng)研究是第一批對椰棗纖維PCL生物復(fù)合材料提升的力學(xué)性能提供了綜合評價(jià)的研究之一。
椰棗纖維是北非和中東最有效的天然纖維之一。椰棗樹產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物，它們要么被燃燒，要么被填埋，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，以及對重要的土壤微生物帶來破壞。椰棗樹上通常可用作纖維的是樹皮，當(dāng)修剪樹葉時，這些樹皮通常被撕成碎片。
展開 天津大學(xué)仰大勇團(tuán)隊(duì)綜述：生物功能電紡納米材料——從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到生物應(yīng)用
【引言】
生物功能高分子材料廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其中靜電紡絲（縮寫為“e-spin”）是制備各種生物功能高分子材料最簡單、最直接的技術(shù)。與傳統(tǒng)的紡紗技術(shù)（如溶液紡絲和熔融紡絲）相比，e-spin使用靜電力來加工聚合物溶液并生產(chǎn)微米級或納米級的材料。e-spin不僅可用于制造納米纖維，還可制造具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的納米材料。超過一半的e-spin材料應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、診斷和仿生學(xué)。本文重點(diǎn)介紹了電紡生物功能納米材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的最新進(jìn)展。
【成果簡介】
靜電紡絲是一種高度通用的技術(shù)，可將聚合物或相關(guān)材料加工成直徑范圍從微米到納米級的纖維材料。早期電紡材料主要是聚合物，形態(tài)主要是纖維。在過去的二十年中，科研人員在選材和形貌方面都取得了很多進(jìn)展，制備了包括金屬、金屬氧化物、碳材料和有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料的靜電紡絲，以及制造了珠、管以及多級結(jié)構(gòu)等纖維之外的更多形態(tài)。此外，還探索了多種有前景的應(yīng)用，主要包括生物、能源、催化、環(huán)境和機(jī)械增強(qiáng)，其中一半以上專注于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。比如，設(shè)計(jì)電紡納米材料以模擬細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，用于細(xì)胞生長和營養(yǎng)物轉(zhuǎn)運(yùn)；封裝或附著有生物活性分子和藥物的電紡納米材料可用于遞送分子；由于高孔隙率和大比表面積，它們還可以用于醫(yī)學(xué)診斷以增強(qiáng)特異性、靈敏度和信號傳導(dǎo)能力。此外，電紡納米材料可以組裝成各種有趣的仿生結(jié)構(gòu)。所有這些特點(diǎn)使得靜電紡絲成為制造生物功能納米材料的有力工具，用于涉及人類健康的一系列生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，主要包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、診斷和仿生學(xué)。
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