生物材料與組織工程的案例
Mater.》綜述：基于生物材料的腫瘤組織工程平臺(tái)
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(lái)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(lái)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(duì)抗癌治療的反應(yīng)提供了機(jī)會(huì)。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(hào)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(zhǎng)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(guò)程。可見(jiàn)，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
生物打印以其快速、精準(zhǔn)、個(gè)性化等優(yōu)點(diǎn)在組織構(gòu)建中逐漸展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于實(shí)體組織打印，復(fù)雜空腔組織的打印構(gòu)建，對(duì)于可打印水凝膠材料生物相容性、力學(xué)強(qiáng)度、打印可塑性等特性的要求更加嚴(yán)格。對(duì)于空腔組織或器官的不同亞層結(jié)構(gòu)，如何準(zhǔn)確構(gòu)建、打印管腔結(jié)構(gòu)以及如何維持中空管道功能等問(wèn)題，尚面臨諸多挑戰(zhàn)。
上海交通大學(xué)皮慶猛博士在哈佛博士后工作期間，在哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Yu Shrike Zhang教授指導(dǎo)下，與同事一起自行設(shè)計(jì)了一種新型同軸多通道生物打印系統(tǒng)（MCCES）（如圖1），以實(shí)現(xiàn)空腔組織或器官不同亞層結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，將優(yōu)化的復(fù)合水凝膠復(fù)合細(xì)胞后，可以借助這一新型打印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一次性同步區(qū)分打印不同亞層結(jié)構(gòu)，滿足不影響細(xì)胞活力的前提下，增強(qiáng)管腔結(jié)構(gòu)一定的力學(xué)強(qiáng)度，并精準(zhǔn)同步打印具有2層（或2層以上）亞層結(jié)構(gòu)的空腔組織。這項(xiàng)研究為體外構(gòu)建復(fù)雜空腔組織或器官提供了新的方法，也得到國(guó)際同行的認(rèn)可，該項(xiàng)工作日前正式發(fā)表在國(guó)際生物材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Materials（最新影響因子21.95）。
圖1.同軸多通道生物打印系統(tǒng)快速構(gòu)建空腔管狀結(jié)構(gòu)。（圖片來(lái)自Advanced Materials）
研究者自行研制新型的同軸多通道打印系統(tǒng)，分別同步構(gòu)建內(nèi)、外亞層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確構(gòu)建不同亞層的設(shè)想（如圖2）。采用Alginate+GelMA+PEGOA混合水凝膠，利用鈣離子交聯(lián)、聯(lián)合光敏交聯(lián)固化的方法，增加打印過(guò)程中的復(fù)層管型結(jié)構(gòu)的可塑性。研究證實(shí)，打印后空腔結(jié)構(gòu)具有良好的灌注功能。
圖2.打印空腔管狀結(jié)構(gòu)水平面及橫斷面鏡下觀。（圖片來(lái)自Advanced Materials）
圖3.單層雙層空腔管狀結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)性。（圖片來(lái)自Advanced Materials）
通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)在同一根管腔結(jié)構(gòu)反復(fù)切換的設(shè)想（如圖3）。
展開 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(guò)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(shí)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(guò)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(dòng)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(lái)一直致力于研發(fā)電活性生物材料和自驅(qū)動(dòng)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(jiàn)課題組網(wǎng)頁(yè)：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(lái)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(hào)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 
：用于心臟組織工程的多肽基導(dǎo)電抗菌凝膠材料
超分子材料通過(guò)非共價(jià)相互作用自組裝，以實(shí)現(xiàn)特定功能。這些可逆的非共價(jià)作用為材料提供了層級(jí)結(jié)構(gòu)，賦予材料有序與動(dòng)態(tài)的特征，以模擬生命系統(tǒng)。其中，水凝膠為超分子材料的重要部分。而基于短肽的水凝膠由于其優(yōu)異的生物相容性、高保水量與高凝膠化傾向，具有廣闊的應(yīng)用前景。但較差的機(jī)械穩(wěn)定性阻礙了其發(fā)展。為此，引入超分子3D基質(zhì)，通過(guò)納米工程等手段能夠有效地解決機(jī)械性能不足的問(wèn)題。同時(shí)，引入特定的超分子纖維能夠賦予凝膠導(dǎo)電性能，提供獨(dú)特的生物學(xué)功能。
本文中，作者開發(fā)了一種基于短肽RGD與聚苯胺（PAni）的超分子纖維復(fù)合水凝膠。該材料具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，能夠支持纖維細(xì)胞于表面的黏附與生長(zhǎng)，同時(shí)也具有抗菌性與導(dǎo)電性能。
作者首先合成了肽段Fmoc-K(Fmoc)-RGD。該肽段能夠在低濃度下（0.5% w/v）下形成透明的凝膠。透射電子顯微鏡（TEM）表征表明，其由纏結(jié)的納米纖維組成，證明了其為超分子凝膠（圖1b）。流變結(jié)果表明，凝膠在一小時(shí)內(nèi)形成，儲(chǔ)能模量高達(dá)5 kPa（圖1c-d）。同時(shí)，上述凝膠具有一定的自愈特征，能夠在大應(yīng)變下轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z狀態(tài)，并在應(yīng)變于線性粘彈區(qū)時(shí)發(fā)生重組（圖1f-g）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和熒光光譜表明凝膠內(nèi)部存在的β-折疊特征與Fmoc基團(tuán)的π–π堆積（圖1h-j）。
圖1. 本文的水凝膠設(shè)計(jì)
此外，分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬也證實(shí)了凝膠的自組裝過(guò)程。其中，F(xiàn)moc基團(tuán)之間的π–π堆積在聚集體內(nèi)部形成疏水核心，對(duì)于水凝膠骨架的形成起到重要作用。
展開 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(yíng)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(shuō)。 “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(gè)混合物中增殖。
接下來(lái)，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(shuō)：“這些可灌注的管狀結(jié)構(gòu)可以在生物打印管的長(zhǎng)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(dòng)脈炎，動(dòng)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(duì)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(cè)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(shuō)。
展開 四川大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心王云兵主任團(tuán)隊(duì)招聘科研助理
王云兵教授簡(jiǎn)介
王云兵教授是國(guó)家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心主任、四川大學(xué)生物材料工程研究中心主任、四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院學(xué)術(shù)院長(zhǎng)、中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、科技部生物材料國(guó)際交流合作基地主任、教育部組織再生性生物材料科學(xué)與工程創(chuàng)新引智基地主任，“百千萬(wàn)人才工程”國(guó)家級(jí)人選，“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席、中國(guó)心腦血管聯(lián)盟副理事長(zhǎng)、國(guó)家有突出貢獻(xiàn)中青年專家，國(guó)際生物材料科學(xué)與工程學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)Fellow。
主要從事用于心腦血管疾病、糖尿病、眼科疾病等治療的新型生物醫(yī)用材料和微創(chuàng)植/介入醫(yī)療器械的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)。主持開發(fā)了一系列國(guó)內(nèi)、國(guó)際首創(chuàng)的醫(yī)療器械產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模臨床應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，已申報(bào)國(guó)內(nèi)、國(guó)際專利300多項(xiàng)，國(guó)際期刊發(fā)表論文100多篇。
課題組主頁(yè)
https://www.x-mol.com/groups/wang_yunbing
具體工作地點(diǎn)
成都市武侯區(qū)四川大學(xué)望江校區(qū)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心
課題組長(zhǎng)期招聘科研助理，歡迎有以下科研背景的同學(xué)加入：
崗位一：熟悉高分子/有機(jī)合成反應(yīng)，加分項(xiàng)：有開環(huán)/離子聚合反應(yīng)和無(wú)水無(wú)氧操作基礎(chǔ)；
崗位二：熟悉傳統(tǒng)微球制備或微流控技術(shù)微球制備方法；
崗位三：熟悉水凝膠的制備及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
展開 淺談醫(yī)學(xué)或生物組織建模與分析流程
由于MRI或CT用不同的灰度(grayscale or Hounsfield Units)記載了不同的生物組織,原則上可以重建三維的生物結(jié)構(gòu).
相關(guān)圖像瀏覽與編輯軟件:Radpix, CT/MR viewer.
2. 數(shù)據(jù)圖像分割(segmentation)
將解剖圖像數(shù)據(jù)(MRI或CT)轉(zhuǎn)化為3D模型的過(guò)程叫做數(shù)據(jù)圖像分割(segmentation).這一步非常關(guān)鍵.
分割的方法分為自動(dòng)或手動(dòng).手動(dòng)主要針對(duì)分界線模糊的軟組織如肌肉.自動(dòng)分割的方法有: Threshold, Region Growing and Dynamic Region Growing).
通過(guò)分割得到3D模型格式一般為STL (Triangulated surface mesh file:三角形表面網(wǎng)格文件)(也可以保存成其他格式如IGES).STL文件可以很方便導(dǎo)入到其他CAD或有限元軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析.
與分割相關(guān)的軟件有:Mimics, Analyze, MATLAB, Interachive Data Language, 3D Slicer.
本人推薦使用Mimics或3D Slicer(免費(fèi)).
(下面介紹得到3D幾何模型后的應(yīng)用分析)
3. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)
將IGES或STL文件導(dǎo)入CAD文件可以進(jìn)行設(shè)計(jì)分析. Mimics中也有專門的CAD模塊.
相關(guān)軟件有:AutoCAD,IDES,ProE,Solidworks,UG NX等.
4. 快速成型或制造(Rapid Prototyping-RP, Rapid Manufacturing)
STL文件是快速成型機(jī)器和3D打印機(jī)的通用格式文件.通過(guò)將STL文件導(dǎo)入快速成型機(jī)器或3D打印機(jī),可以很快得到生物結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型.如頭顱,盆骨等.
Mimics中有專門的RP模塊.
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(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)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(gè)熱點(diǎn)。
通過(guò)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(shí)，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(guò)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(jiàn)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(hào)可以在聚焦區(qū)內(nèi)達(dá)到較高的強(qiáng)度水平。當(dāng)信號(hào)達(dá)到高幅值時(shí)，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(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲通過(guò)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(hào)
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(gè)五個(gè)周期聲波脈沖，聚焦在位于組織中的焦點(diǎn) F。信號(hào)的振幅為 0.1MPa，中心頻率為 1MHz，在傳播過(guò)程中只會(huì)涉及有限的部分域。當(dāng)信號(hào)傳播時(shí)，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(duì)稱幾何模型的圖解。
我們可以使用以下公式計(jì)算從信號(hào)到焦點(diǎn)的傳播時(shí)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(shí)域顯式 接口，我們可以模擬流體中的有限幅值高聲壓級(jí)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 Shrike Zhang教授課題組AHM綜述：工程化可收縮和可膨脹的（生物）材料
可收縮和可膨脹（生物）材料具有使得尺寸/形狀變化的獨(dú)特特性，因此在（生物）制造領(lǐng)域，尤其是精細(xì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方面具有強(qiáng)大潛力，為其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供了更多的可能。近期，來(lái)自哈佛醫(yī)學(xué)院的Y. Shrike Zhang團(tuán)隊(duì)受邀在Advanced Healthcare Materials雜志即將出版的10周年專刊上發(fā)表了題為“Engineering (Bio)Materials through Shrinkage and Expansion”的綜述文章。該綜述總結(jié)了可收縮和可膨脹的（生物）材料的響應(yīng)機(jī)制，并詳細(xì)闡述了兩類材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及其相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
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(lái)，生物3D打印移植物已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成績(jī)，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(shì)。
在研發(fā)過(guò)程中，研究人員使用了高度對(duì)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(shí)由該柱形裝置測(cè)量肌肉功能，分析基因表達(dá)，以評(píng)估肌肉對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。“肌肉運(yùn)動(dòng)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(lái)源：三迪時(shí)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(guó)3D生物打印機(jī)制造商T&R Biofab首次通過(guò)生物打印技術(shù)成功制造了肝臟組織，并將其移植到動(dòng)物試驗(yàn)對(duì)象體內(nèi)。如果未來(lái)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(jué)得不可能。
T&R biofab研究人員采用一臺(tái)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(lái)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(shuō)："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(dòng)物體內(nèi)，其增殖效果大大優(yōu)于沒(méi)有結(jié)構(gòu)的3D打印對(duì)應(yīng)物。此外，它似乎是第一個(gè)成功地完全生物打印高度組織化的構(gòu)造，移植后幾乎沒(méi)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(lái)自《Advanced Materials journal.》
生物打印的肝小葉
一般來(lái)說(shuō)，人體是由幾個(gè)不同的多鱗片組織和器官組成的，肝臟是一個(gè)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(duì)肝細(xì)胞有毒，破壞它們的活力。
展開 生物醫(yī)用材料市場(chǎng)、趨勢(shì)及其在3D打印中的應(yīng)用
生物醫(yī)用材料的發(fā)展綜合體現(xiàn)了材料學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域科學(xué)與工程技術(shù)的水平。同時(shí)，生物再生材料產(chǎn)業(yè)作為材料科學(xué)、生物技術(shù)、臨床醫(yī)學(xué)的前沿和重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，以及整個(gè)生物醫(yī)學(xué)工程的基礎(chǔ)，已發(fā)展為整個(gè)經(jīng)濟(jì)體系中最具活力的產(chǎn)業(yè)之一。
生物醫(yī)用材料也被應(yīng)用于3D打印植入物制造、組織工程支架制造等領(lǐng)域，如用于骨科植入物制造的鈦合金粉末，用于骨再生支架增材制造的生物陶瓷，以及用于人工組織制造的水凝膠等材料都屬于生物醫(yī)用材料。
定義與分類
生物醫(yī)用材料是一類用于診斷、治療、修復(fù)、替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能的新型高科技材料。根據(jù)中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)的定義與分類，生物醫(yī)用材料可根據(jù)材料的性質(zhì)、來(lái)源、用途等不同維度進(jìn)行分類。
資料來(lái)源：火石創(chuàng)造；正海生物招股說(shuō)明書
近年來(lái)，可降解高分子材料、納米材料、組織工程材料等新材料逐漸應(yīng)用在醫(yī)用領(lǐng)域，為眾多疾病的治療提供了新的方向。
邁普再生醫(yī)學(xué)生產(chǎn)的3D打印硬腦（脊）膜-睿膜?
生物醫(yī)用材料及植入器械的研究和產(chǎn)業(yè)化也是醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)，其發(fā)展和應(yīng)用促生出了再生醫(yī)學(xué)這一新學(xué)科，其產(chǎn)品主要由干細(xì)胞、以生物材料為支架的組織工程化組織和器官、以及可供移植的生物組織和器官構(gòu)成，包括口腔修復(fù)膜、骨修復(fù)材料、硬腦（脊）膜補(bǔ)片、人工角膜等。
市場(chǎng)規(guī)模與趨勢(shì)
作為一種低原材料消耗、低能耗、高技術(shù)附加值的新興產(chǎn)業(yè)，近二十年來(lái)全球生物醫(yī)用材料市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)麥姆斯咨詢，2016年全球生物醫(yī)用材料市場(chǎng)規(guī)模約為709億美元，預(yù)計(jì)2021年將達(dá)到1491.7億美元，2016~2021年復(fù)合年增長(zhǎng)率為16%，遠(yuǎn)高于全球醫(yī)療器械市場(chǎng)規(guī)模8%的增長(zhǎng)率。
展開 中國(guó)生物化工簡(jiǎn)史-生物反應(yīng)器工程
生物反應(yīng)工程：生物反應(yīng)過(guò)程的產(chǎn)品包括，生物質(zhì)，酶，初級(jí)和次級(jí)代謝產(chǎn)物，蛋白，這些可以廣泛用于制藥、食品，化學(xué)，農(nóng)業(yè)或能源生產(chǎn)。反應(yīng)器，胞外環(huán)境因素，包括反應(yīng)器設(shè)計(jì)，操作條件和培養(yǎng)基形式，對(duì)細(xì)胞代謝都有重要影響。目前，生物反應(yīng)器工程的目標(biāo)是，探索反應(yīng)器中細(xì)胞生理代謝機(jī)制，放大生物過(guò)程，滿足低成本生產(chǎn)。
中國(guó)生物反應(yīng)器工程前沿
生物反應(yīng)過(guò)程是一個(gè)活細(xì)胞的復(fù)雜的代謝過(guò)程。因此，反應(yīng)器工程的核心是調(diào)控反應(yīng)器中活細(xì)胞的生理狀態(tài)。調(diào)控也是優(yōu)化和放大的關(guān)鍵。因此，鑒定反應(yīng)器中細(xì)胞的生理和代謝參數(shù)，設(shè)計(jì)合適的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，是優(yōu)化生物反應(yīng)器工程的先決條件。
1. 中國(guó)科學(xué)家的突破
生物反應(yīng)歷程中，反應(yīng)器的控制條件會(huì)影響細(xì)胞微尺度代謝，也會(huì)影響宏觀尺度代謝。因此，為了提高反應(yīng)器的性能，進(jìn)行了微觀和宏觀尺度的代謝流分析。為了放大生物過(guò)程，細(xì)胞的生理代謝狀態(tài)必需要在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模反應(yīng)器進(jìn)行重現(xiàn)和優(yōu)化。為了達(dá)到這個(gè)目的，必需進(jìn)行大反應(yīng)器的流體場(chǎng)特性的研究，來(lái)理解不同反應(yīng)器設(shè)計(jì)和控制條件導(dǎo)致的差異。宏觀生理特性變化分析+流體場(chǎng)和細(xì)胞生理代謝特性，可以增強(qiáng)反應(yīng)器放大過(guò)程。
下圖是研究者提出的一個(gè)生物反應(yīng)器增效的技術(shù)路線。
上面的這些圖片都是基于生物反應(yīng)器工程的多尺度理論。
2. 開發(fā)可以監(jiān)測(cè)所有宏觀生理和代謝特征的參數(shù)的生物反應(yīng)器
2003年，華東理工大學(xué)張嗣良教授和儲(chǔ)炬教授，設(shè)計(jì)了一款全參數(shù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器，含有一臺(tái)反應(yīng)器，一臺(tái)電腦數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)圖如下所示。體積可以從幾十升到300噸。通常，實(shí)驗(yàn)室研究使用的30L或50L的體積可以直接應(yīng)用到300噸的工業(yè)發(fā)酵。
3. 海量數(shù)據(jù)過(guò)程軟件包的開發(fā)
生物反應(yīng)器配備自動(dòng)電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集過(guò)程參數(shù)。數(shù)據(jù)采集和電腦控制形成了一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。
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