工程化活体材料与3D生物打印融合:现状、挑战与展望
时间:2025-04-30 10:54 来源:EFL生物3D打印与生物制造 作者:admin 点击:次
工程化活体材料(ELMs)是一类新兴的生物杂交材料,具有基因可编程功能,在众多领域展现出巨大的应用潜力。然而,要将其转化为实际产品和工程解决方案,需要与制造技术有效整合,而目前在这一整合过程中面临诸多挑战,例如生物墨水设计困难,难以兼顾3D打印性和细胞兼容性,以及对ELMs中活细胞与非活基质之间相互作用的理解不足等问题。 ![]()
1. 3D生物打印工程化活体材料。图1展示了用于制造工程化活体材料(ELMs)三维结构的四种3D打印方式,分别是挤出式3D打印、在支撑浴中嵌入式3D打印、数字光处理3D打印和体积3D打印,并对比了它们在打印过程、速度、分辨率、材料兼容性、优缺点等方面的差异。同时列举了不同打印技术搭配的生物墨水、打印后交联方式及微生物细胞实现的功能。 ![]()
图1. 用于制造ELMs三维结构的3D打印方式:呈现四种打印方式的示意图,直观展示各自的工作原理,如挤出式3D打印通过挤出生物墨水细丝逐层构建,嵌入式3D打印将生物墨水打印到支撑浴中等。
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图2. 挤出式3D打印:对比凝胶相和液相生物墨水,展示凝胶相生物墨水的剪切稀化(受应力时从固态转变为液态便于挤出)和自愈合(挤出后恢复固态维持形状)特性,以及使用通用易逝网络生物墨水进行3D打印的流程。
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图4. 在支撑浴中嵌入式3D打印通过木醋杆菌原位生物合成细菌纤维素来制造细菌纤维素结构:展示支撑介质(聚四氟乙烯微粒)的微观图像、打印过程示意图、打印的三维模型和实际结构,以及打印后细菌纤维素的形成和结构特点。
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图5. ELMs的数字光处理3D生物打印:呈现3D打印网格结构的图像,以及表达绿色荧光蛋白(GFP)的大肠杆菌在不同水凝胶基质中随时间的荧光强度变化数据,直观反映打印结构和细胞生长状况。
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图6. 体积3D打印:展示顺序悬浮浴打印(嵌入式打印)和体积打印的流程,以及多材料构建体的示意图和实际打印构建体的图像,呈现其制造过程和结构特点。
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图8. 3D打印活体构建体的打印后生长:展示3D打印活体菌丝结构的生长策略(如根据营养状况选择不同生长模式)、不同生长天数的结构变化、横截面图像,以及菌丝自我愈合的显微镜图像。
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图9. 4D打印:展示基于挤出的仿生4D打印原理(通过控制纤维素纤维排列实现各向异性膨胀和变形)及生成的复杂花状形态,以及数字光4D打印通过2D材料编程实现3D成型的过程。
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图10. 将形状变形材料与ELMs的3D生物打印相结合:使用ELMs中的微生物细胞作为驱动形状转变的活性成分进行4D打印:呈现酵母细胞增殖诱导ELM体积膨胀和形状变形的过程,以及多材料形状变形ELM的打印和变形情况。
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