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介绍微生物3D列印，从这首诗已经开始

发布时间：2022-05-26 10:31:35浏览：6964点赞：

3D列印溶入了各个领域，并助推技术创新，引起了亚洲地区工业的革新,微生物3D列印是3D列印控制技术在微生物科学应用领域中的交叠应用应用领域，具备关键的科学研究象征意义及应用应用领域发展前景。利用3D列印控制技术既能制做国际标准数学模型，也能为患者度身订制内部结构紧凑的术后底板等。透过磁共振（CT）或是磁共振（MRI）等药理学光学控制技术对患者骨缺损足部展开扫描器获得所须要的底板数学模型，随即采用二维列印机展开列印成形。这是现代的成形控制技术相去甚远的。近几年，二维列印控制技术在医疗保健器械应用领域内获得了应用应用领域，主要包括颅面移殖、冠齿复原、implantation电子元件、医疗保健电子设备、麻醉数学模型、肾脏列印、抗生素数据传输数学模型、肌腱工程建设底板各方面的应用应用领域。二维列印控制技术虽然其可度身订制性，内部结构和裂隙移动性和可A43EI235E多种不同金属材料等优点受了科学研究相关人员的广为高度关注。而此态势也为很多具备开创性的化疗计划及电子设备的发明者提供更多了意念。

接下来我们会详细介绍肌腱工程建设应用领域内目前可用于二维列印的微生物金属材料，主要包括它们各自的优缺点和列印国际标准。同时虽然不同的列印机能够列印的微生物金属材料不尽相同，所以我们也对二维列印机的种类及成形原理展开了简要概述。我们希望该篇综述能够鼓励更多的科研团队发明者新的微生物金属材料，最终使得二维列印控制技术在肌腱工程建设应用领域获得更大发展。1.3D列印控制技术分类介绍微生物金属材料能否被列印这与所采用的二维列印机器有很大关系。不同的列印机对金属材料的要求不尽相同。在微生物科学应用领域，主要采用的列印机分为四种类型：光固化立体印刷控制技术、熔融沉积列印控制技术、选择性激光烧结控制技术、直接浆料挤压控制技术。熔融沉积和直接浆料挤压控制技术，是两种常用的制备肌腱工程建设底板的办法。直接列印的浆料有些是与水或是低沸点溶剂（二氯甲烷(DCM)、二甲亚砜（DMSO）混融的聚合物溶液，有些是在挤出后能快速挥发的聚合物溶液，或是一些水凝胶能够在挤出后依然维持原来的内部结构。透过二维列印成形的水凝胶在挤出后能够透过触变行为、温度感应或是交联等方式维持形状。对于熔融沉积和直接列印来说，分辨率可达到在XY平面喷嘴尺寸25微米，层厚200-500微米。通常情况下这两种方法在列印长的没有支撑的或是有尖锐突出部分的数学模型时有问题。挤出的细丝没有足够的强度来立即支撑出自身，所以在没有支撑的部分会出现松弛或是完全倒塌的情况。为介绍决而此问题，有时在列印的过程中也添加填充金属材料，在列印完成之后用溶剂溶掉或是高温煅烧掉。

粒子熔化的二维列印控制技术在工业原型生产中已经获得了应用应用领域，主要包括选择性的激光烧结沉积控制技术和粒子粘连控制技术，它们不仅能列印聚合物、陶瓷、金属及其A43EI235E金属材料，还能赋予其独特或复杂的内部结构。选择性激光烧结控制技术采用有特定方向的激光使聚合物或是金属粒子达到其熔点以上温度，从而使粒子熔化在一起。激光束会根据电脑数学模型分层处理，从顶部已经开始使粒子熔化成形，并不断重复此步骤达到最后的效果[3]。选择性激光控制技术成形较慢、成本较高，而且须要采用大量金属材料，但是其能够在单一机床上成形多种不同金属材料的能力使其在很多制造应用领域中依然占据用武之地。粒子粘结控制技术也被称作非方向性的激光烧结控制技术，其主要原理与选择性激光烧结控制技术类似。但是与激光使粒子熔化不同，粒子粘结控制技术采用液态的粘结剂溶液使粒子粘结，进而透过高温煅烧获得二维固体。选择性的激光烧结控制技术和粒子粘连控制技术已经在矫形或是口腔外科等硬组织工程建设应用领域获得利用。立体平板印刷控制技术是将紫外光或是激光穿过能光致聚合的液态聚合物，使其形成单一的坚硬的聚合物簿膜。在聚合后，基板下降到溶液中，这样新的树脂能够在列印的表面上流过，在上方聚合。在所有列印控制技术中，立体平板印刷具备最高的分辨率，现代的立体平板印刷分辨率达到25微米，而微米级的立体平板印刷和高精确的立体平板印刷控制技术分辨率达到了单微米级别。然而虽然立体平板印刷虽然其只能在紫外光下交联、延伸的后成形优点、缺乏合适的力学性能、树脂在最后容易被堵塞，和最关键的缺乏相关可用于立体平板印刷控制技术的微生物相容性及微生物降解性的金属材料，使得其在药理学应用领域缺乏发展空间。但近几年虽然一些天然的或合成的可交联的微生物金属材料的发现，给立体平板印刷在组织工程建设应用领域中的应用应用领域提供更多了很大机会。

图1 如何列印一只耳朵

2.二维列印微生物医疗保健器械金属材料分类在过去的十几年中，二维列印控制技术获得了迅速的发展，这也让其在很多新应用领域中获得应用应用领域，更是吸引了医疗保健电子设备和组织工程建设应用领域的目光。虽然二维列印能够以短时间、低成本为患者度身订制特定的医疗保健产品，这也使得二维列印控制技术在未来的个人医疗保健时代有极大的发展发展前景。目前，已经有很多微生物金属材料透过二维列印的方式制备肌腱工程建设底板或是其他一些医疗保健产品等。在本环节中，我们将针对不同的列印控制技术须要的金属材料性能展开整体概述，并重点介绍目前已经应用应用领域过的微生物金属材料及其优缺点。2.1 陶瓷基浆料微生物医疗保健器械活性陶瓷能够模拟自然骨的矿物相、内部结构和机械性能，是理想的仿生骨复原金属材料。目前应用应用领域3D列印机直接列印陶瓷金属材料有很大难度，因为液态的陶瓷金属材料数量很少，而且其熔点远在熔融沉积列印方式所能承受的范围之外。另外，虽然陶瓷金属材料缺乏光敏优点，因此不适用于光固化立体印刷控制技术。应用应用领域选择性激光烧结列印系统也很难列印出高密度又多孔的内部结构。直接挤压式的二维列印控制技术是目前列印陶瓷金属材料最有发展前景的方法，陶瓷粉体必须有合适的颗粒粒径（通常情况下10-150微米），和合适的粘结溶液，使其易于列印成形。羟基磷灰石粉末被应用应用领域于二维列印中，这和其矿物相中磷酸钙的大量存在有关。透过聚丙稀溶液一层一层溅射到HA粉末上，随即展开烧结完成固化过程，这样我们就获得了羟基磷灰石的联接体。透过烧结，其抗压强度(0.5-12Mpa)可达到人体松质骨的最低要求。将其移殖到小鼠数学模型中，8周后底板边缘已经开始有新骨生成，内部也有类骨质和血管长入。但尽管人工骨底板性能优异，但距离临床采用国际标准仍然相差甚远。微生物玻璃是内部分子呈无规则排列状态的硅酸盐的聚集体，金属材料中的组分能同微生物体内的组分互相交换或是反应，最终形成与微生物体本身相容的物质。科学研究者透过细胞和动物实验对微生物活性玻璃展开了一些列科学研究，发现微生物玻璃具备优越的自降解性能，其离子产物能增强成骨细胞的增殖分化和激活成骨基因的表达。为了有效化疗肿瘤相关的骨缺损病症，Lu等[9]首先制备了磁性纳米粒子改性的介孔微生物玻璃，并将其与壳聚糖混合，制备获得多孔A43EI235E底板。该A43EI235E底板具备良好的骨再生和光热化疗功能，在肿瘤相关骨缺损的化疗中有着巨大的应用应用领域价值。

图2 超弹性人工骨

2.2 微生物医疗保健器械高分子金属材料医疗保健器械高分子列印金属材料具备非常优异的加工性能，可适用于多种不同列印模式，并且具备良好的微生物相容性和降解性，使得其成为二维列印微生物金属材料中的主力军。不同的列印控制技术须要设定不同的金属材料列印参数。比如熔融沉积列印所采用的是热塑性的高分子金属材料，只需将原金属材料拉成丝状即可列印，但其直径通常在1.75mm左右，并且要具备很快的固溶转变性能，以保证在挤出前迅速熔化，挤出后能迅速冷却。光固化立体印刷列印控制技术须要浆料呈液体状态，且具备光敏优点。目前最受科学研究者青睐也是被应用应用领域最多的二维列印高分子金属材料是可降解的脂肪族聚酯类金属材料，如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）等。聚己内酯是一种半晶型高聚物，曾经一度被抛弃，直到组织工程建设和二维列印的兴起，PCL也再度走上历史舞台。聚己内酯在被加热时有优异的流变性能及粘弹性，这使得其成为以熔融沉积为原理的列印机最主要应用应用领域的金属材料之一。聚己内酯在体内能够稳定存在长达六个月，随即在逐步降解，且副产物对人体无毒无害。聚乳酸是一种线型热塑性脂肪族聚酯，具备良好的微生物相容性和微生物降解性。但虽然聚乳酸的降解是由酯键水解实现的，同时虽然乳酸的释放导致了周围体液环境中PH值的下降。这些酸性副产物易引起组织炎症及细胞死亡。为了改善而此问题，科学研究者们将聚乳酸与微生物陶瓷A43EI235E，来制备A43EI235E底板，以提高其微生物响应性和阻碍酸性环境的形成。Ion等利用3D列印控制技术制备了一种新型的磷灰石-硅灰石/聚乳酸(AW/PLA)A43EI235E内部结构，该A43EI235E内部结构与皮质骨和松质骨的性质相匹配。体外细胞实验的结果表明， AW/PLAA43EI235E底板能够有效促进大鼠骨髓基充质干细胞的增殖和成骨分化。在大鼠颅骨缺损数学模型中，A43EI235E底板表现出良好的骨整合与促进新骨形成的能力。除PLA及PCL外，聚丙烯（PPF）是光固化成形中被科学研究最深入的能够微生物降解且能够光致交联的聚合物金属材料之一。通常情况下列印的浆料要与富马酸二乙酯DEF溶剂混合，同时也要加入光引起剂。溶液的粘度和PPF与DEF的比值对列印过程和底板的力学性能有很大的影响。聚醚醚酮（PEEK）虽然其熔点在350℃，所以只能透过选择性激光烧结列印控制技术来成形。但熔点高也赋予了PEEK 抗热性，使其能够在高温蒸汽杀菌时依然保持稳定。但是作为微生物金属材料来讲，PPEK缺乏对组织工程建设有利的骨整合性，不能与自然骨很好地结合，所以容易引起一些排斥反应，而且价格偏贵[12]。2.3 水凝胶浆料水凝胶是水溶性高分子透过化学交联或物理交联形成的聚合物，具备二维交联网络内部结构，同时自身也容纳了大量的水。水凝胶具备可调节的强度、降解性、可功能化修饰等性能，并且可作为一种软性金属材料从而仿生细胞外基质的微环境，这使得水凝胶在医疗保健应用领域具备广阔的应用应用领域发展前景，可用来制备二维或二维的组织工程建设底板和抗生素的可控释放等。常用的二维列印的水凝胶浆料主要分为三类：一类是由天然聚合物制备的，比如藻朊酸盐、琼脂、明胶、纤维素、胶原蛋白、丝素蛋白、透明质酸等；一类是由合成的聚合物制备的，比如聚丙烯酰胺、聚氨酯、聚乙二醇等；另外一类是由合成聚合物和天然聚合物构成的A43EI235E水凝胶类浆料。在水溶性合成聚合物中，医疗保健器械聚乙烯醇（PVA）在组织工程建设应用领域应用应用领域较为广为。PVA具备良好的微生物相容性，无毒易降解，能在95℃时溶于水，形成凝胶状，且粘度很大。Zhang等制备了孔道互相连通的MBG/PVAA43EI235E底板金属材料，PVA的加入显著加强了金属材料的韧性。以鼠颅骨脊梁骨缺损为数学模型的动物实验结果也显示出MBG/PVA底板具备优异的骨诱导活性，能促进骨缺损处新骨生成和血管生成。目前，已经有很多实验将细胞与3D列印的微生物底板共培养，实验结果也表明细胞能够在多种不同二维底板上存活，并且比普通二维培养的效果要好。但这仅仅是细胞与金属材料的二维作用，并没有将细胞直接置于列印系统中。将细胞直接与浆料混合展开列印作为一个崭新的思路也引起了科学研究者们的广为高度关注。天然水凝胶具备良好的细胞相容性。其性质组成与细胞外基质相类似，表面粘附蛋白质和细胞的能力弱，几乎不影响细胞的代谢过程。能包裹细胞，输送养分和分泌代谢物。Andrea等测试了不同比例构成的I型胶原蛋白和透明质酸的微生物墨水配方，确定了一个最佳配方，在支持微生物活性的同时允许微生物列印，并且支持原生细胞-基质的相互作用。他们将该配方应用应用领域于包含人类原代肝细胞和肝星状细胞的3D肝组织构建中，并测试了对乙酰氨基酚(一种常见的肝脏毒物)的作用。科学研究结果表明，甲基丙烯酸甲酯型胶原蛋白和硫醇型透明质酸的结合产生了一种简单的、可印刷的微生物墨水，这种微生物墨水能调节间质细胞的生长，并且对抗生素化疗有适当的反应。

图3 细胞微生物列印

3. 结论与展望二维列印控制技术有很大的应用应用领域发展前景，但是成为微生物医疗保健器械应用领域的主力成员还有很多问题须要解决。其中一个问题在于二维列印机自身能力的局限性，尽管其列印速度及列印精度已经有了很大的提高，但是在很多情形下依然不能达到最佳水平。另外一个主要问题在于可选择的微生物金属材料的局限性。尽管很多能列印的金属材料都具备自己的优势，但是用于移殖的金属材料既要满足生理条件的要求，又要与人体有一个良好的应答反应。通常情况下，理想的骨科移殖金属材料须要具备如下优点:（1）可列印性，（2）微生物相容性，（3）优异的力学性能，（4）良好的降解性，（5）副产物无毒且可降解，（6）良好的组织仿生性能。不同种类的列印机对金属材料的要求也不尽相同，而且这些优点有时候很难全部满足。例如，在肌腱工程建设中，一各方面须要强度高的底板金属材料以满足成骨细胞的增长和承受载荷，但是这也导致了底板降解困难的问题。一些强度低的软性金属材料容易列印并且容易降解，但是却不能应用应用领域于承重足部。一般情况下，二维列印的浆料虽然其自身的硬度与天然骨接近被应用应用领域于骨骼和软骨复原应用领域。从根本上讲，微生物金属材料的选择要在其各项性能上展开选择平衡，以获得理想的金属材料。聚合物微生物浆料已经被广为地科学研究了，尤其是价格低廉的弹性体，如PLA和PCL。这些金属材料有很好的微生物相容性和机械性能，被广为地用作基底金属材料。在未来的科学研究中，除了这些还要注重聚合物金属材料的降解性、脆性和细胞相容性等等。陶瓷金属材料，如HA和β-TCP，现代上就被认为是硬组织工程建设底板的理想金属材料，现在也越来越多地被应用应用领域到陶瓷和聚合物A43EI235E金属材料的科学研究中，陶瓷金属材料的添加能够提高底板的强度，并且提高A43EI235E金属材料的微生物学性能。水凝胶微生物浆料的发展和列印系统让我们越来越接近列印多功能的、搭载细胞的数学模型系统中，也给了我们希望，有朝一日能够实现肾脏列印。而此过程已经由对超分子水凝胶浆料的科学研究就已经开始了。最后，二维列印控制技术要想真正地应用应用领域于医药应用领域，如何展开大规模生产、如何控制质量、如何克服管理障碍都是须要解决的问题。虽然前路道阻且长，但二维列印在组织工程建设和医药应用领域终将大放异彩！

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