生物材料三維打印技術(shù)及應(yīng)用

目錄
總序
前言
第1章　緒論　1
1.1　引言　1
1.2　生物材料3D打印技術(shù)簡介　1
1.2.1　3D打印技術(shù)的基本概念與原理　1
1.2.2　用于3D打印的生物材料簡介　2
1.2.3　典型的生物材料3D打印技術(shù)簡介　6
1.3　生物材料3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀　9
1.3.1　沒有生物相容性要求材料打印　9
1.3.2　生物相容但不可降解材料打印　10
1.3.3　生物相容且可降解可吸收材料打印　10
1.3.4　直接細(xì)胞打印　11
1.3.5　構(gòu)建類器官、微生理系統(tǒng)和體外生命系統(tǒng)工程　11
1.4　生物材料3D打印技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀　11
1.4.1　組織工程與再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用　12
1.4.2　藥物檢測(cè)應(yīng)用　13
1.4.3　病理模型及疾病研究應(yīng)用　13
1.5　生物材料3D打印前景與挑戰(zhàn)　14
1.5.1　生物材料3D打印的前景　14
1.5.2　生物材料3D打印的挑戰(zhàn)　16
參考文獻(xiàn)　18
第2章　低溫沉積3D打印技術(shù)及其在骨和軟骨組織工程中的應(yīng)用　22
2.1　引言　22
2.2　骨、軟骨支架的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　23
2.2.1　常用的支架材料　23
2.2.2　支架的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　24
2.3　低溫沉積制造工藝原理及打印設(shè)備　26
2.3.1　低溫沉積制造工藝原理　26
2.3.2　低溫沉積3D打印設(shè)備　30
2.4　低溫沉積3D打印技術(shù)應(yīng)用：骨與軟骨組織工程　37
2.4.1　修復(fù)大段骨缺損　37
2.4.2　梯度支架修復(fù)骨軟骨缺損　39
2.5　低溫沉積3D打印的拓展：仿生骨軟骨支架　41
2.5.1　仿生骨軟骨支架設(shè)計(jì)　41
2.5.2　仿生骨軟骨支架制備　42
2.5.3　仿生骨軟骨支架修復(fù)動(dòng)物關(guān)節(jié)缺損　43
2.6　總結(jié)與展望　45
參考文獻(xiàn)　46
第3章　微擠出式細(xì)胞3D打印技術(shù)及應(yīng)用　49
3.1　引言　49
3.2　微擠出式細(xì)胞3D打印技術(shù)及生物墨水概述　49
3.2.1　微擠出式細(xì)胞3D打印技術(shù)　49
3.2.2　微擠出式細(xì)胞3D打印生物墨水　50
3.3　微擠出式細(xì)胞3D打印的共性技術(shù)問題　51
3.3.1　微擠出式細(xì)胞3D打印的技術(shù)共性特征　51
3.3.2　微擠出式細(xì)胞3D打印的技術(shù)共性要求　52
3.3.3　微擠出式細(xì)胞3D打印的通用性技術(shù)策略　55
3.4　典型微擠出式細(xì)胞3D打印工藝介紹：溫敏生物墨水的打印　56
3.4.1　溫敏生物墨水的制備與表征　56
3.4.2　工藝過程設(shè)計(jì)　60
3.4.3　結(jié)構(gòu)成形性及工藝參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)成形性影響　61
3.4.4　生物相容性、工藝參數(shù)及剪切力對(duì)細(xì)胞存活率的影響　66
3.4.5　工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)成形性與細(xì)胞存活率的耦合　69
3.5　微擠出式細(xì)胞3D打印微環(huán)境中基本生物學(xué)表征　71
3.5.1　微擠出式細(xì)胞3D打印細(xì)胞活性表征　71
3.5.2　微擠出式細(xì)胞3D打印細(xì)胞增殖表征　74
3.6　微擠出式細(xì)胞3D打印技術(shù)應(yīng)用：胚胎干細(xì)胞及多能干細(xì)胞3D打印　75
3.6.1　胚胎干細(xì)胞及多能干細(xì)胞簡介　75
3.6.2　打印后擬胚體的形成規(guī)律及形態(tài)　76
3.6.3　擬胚體的形態(tài)定量表征　79
3.6.4　擬胚體的“全能性”保持　81
3.6.5　擬胚體形成方法的比較　82
3.7　總結(jié)與展望　85
3.7.1　通用化的解決方案　85
3.7.2　機(jī)器學(xué)習(xí)及智能化控制　86
3.7.3　生物4D打印　86
參考文獻(xiàn)　86
第4章　噴墨式細(xì)胞3D打印技術(shù)及其在皮膚打印中的應(yīng)用　89
4.1　噴墨打印技術(shù)的發(fā)展歷史　89
4.2　噴墨式細(xì)胞打印技術(shù)介紹　90
4.2.1　噴墨式細(xì)胞打印工作原理　90
4.2.2　噴墨式細(xì)胞3D打印工藝　94
4.2.3　噴墨式細(xì)胞打印設(shè)備　96
4.3　噴墨式細(xì)胞3D打印墨水　97
4.3.1　膠原　98
4.3.2　明膠　98
4.3.3　海藻酸鈉　99
4.3.4　纖維蛋白原　100
4.3.5　聚乙二醇　100
4.4　噴墨式細(xì)胞3D打印的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)　101
4.5　噴墨打印對(duì)細(xì)胞功能的影響　103
4.6　噴墨式細(xì)胞3D打印技術(shù)應(yīng)用：組織工程皮膚打印　106
4.6.1　組織工程皮膚背景　106
4.6.2　噴墨打印構(gòu)建人工皮膚　107
4.6.3　展望　114
4.7　總結(jié)與展望　115
參考文獻(xiàn)　117
第5章　熔融微擠壓3D打印技術(shù)及其在合成高分子材料3D打印中的應(yīng)用　120
5.1　引言　120
5.2　熔融微擠壓打印技術(shù)　122
5.3　合成高分子生物材料　126
5.3.1　合成高分子生物材料選取　126
5.3.2　脂肪族聚酯類高分子生物材料　127
5.4　3D打印合成高分子生物材料應(yīng)用：骨組織工程支架打印　128
5.4.1　組織工程支架制備　128
5.4.2　支架結(jié)構(gòu)表征　131
5.4.3　復(fù)合支架打印　132
5.4.4　支架表面改性　133
5.4.5　支架生物學(xué)評(píng)價(jià)　135
5.5　3D打印合成高分子生物材料應(yīng)用：可降解心血管支架打印　138
5.5.1　心血管支架設(shè)計(jì)　139
5.5.2　心血管支架制備　141
5.5.3　心血管支架表征　143
5.6　總結(jié)與展望　148
參考文獻(xiàn)　150
第6章　生物3D打印微納米纖維及其在角膜組織工程中的應(yīng)用　153
6.1　引言　153
6.2　生物3D打印微納米纖維技術(shù)簡介　154
6.2.1　擠出式3D打印成絲制備技術(shù)　154
6.2.2　微流控紡絲　155
6.2.3　靜電紡絲　156
6.2.4　近場(chǎng)靜電紡絲　157
6.3　生物3D打印微納米纖維眼角膜支架模型　160
6.3.1　構(gòu)建角膜組織材料選擇　160
6.3.2　角膜的3D打印構(gòu)建技術(shù)　161
6.3.3　角膜的3D打印模型的物理及結(jié)構(gòu)表征　163
6.4　打印角膜支架應(yīng)用：誘導(dǎo)角膜組織再生　167
6.4.1　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及化學(xué)因子對(duì)角膜基質(zhì)細(xì)胞表型維持的影響　167
6.4.2　大鼠基質(zhì)內(nèi)板層移植及評(píng)估　170
6.5　總結(jié)與展望　172
6.5.1　總結(jié)　172
6.5.2　展望　173
參考文獻(xiàn)　174
第7章　生物3D打印構(gòu)建血管化心肌組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)用　178
7.1　引言　178
7.2　3D打印心肌組織技術(shù)進(jìn)展　181
7.2.1　微擠出式打印在心肌組織構(gòu)建的應(yīng)用　181
7.2.2　懸浮打印在心肌組織構(gòu)建的應(yīng)用　182
7.3　血管化心肌組織的打印　185
7.3.1　仿生結(jié)構(gòu)心肌支架設(shè)計(jì)　185
7.3.2　心肌支架成形的技術(shù)方案　187
7.3.3　犧牲模的材料篩選與3D打印制備　188
7.3.4　仿生心肌支架的成形與參數(shù)優(yōu)化　193
7.3.5　仿生心肌支架的結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)表征　195
7.3.6　細(xì)胞種植與心肌支架的生物功能評(píng)價(jià)　198
7.4　總結(jié)與展望　202
參考文獻(xiàn)　204
第8章　生物3D打印構(gòu)建體外類腫瘤模型及其應(yīng)用　207
8.1　三維腫瘤模型發(fā)展趨勢(shì)　207
8.2　腫瘤細(xì)胞打印工藝技術(shù)介紹　211
8.2.1　引言　211
8.2.2　明膠基溫敏水凝膠材料流變性能　212
8.2.3　明膠基溫敏水凝膠材料流變特性與細(xì)胞存活率的關(guān)系　217
8.2.4　明膠基溫敏水凝膠材料流變特性與打印成形性的關(guān)系　222
8.2.5　小結(jié)　225
8.3　生物3D打印體外類腫瘤模型的構(gòu)建　226
8.3.1　引言　226
8.3.2　生物3D打印技術(shù)構(gòu)建A549類肺腫瘤模型　227
8.3.3　生物3D打印技術(shù)構(gòu)建HeLa類宮頸癌腫瘤模型　230
8.3.4　小結(jié)　239
8.4　生物3D打印體外類腫瘤模型的應(yīng)用：上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化特性研究　239
8.4.1　引言　239
8.4.2　3D打印宮頸癌模型及其細(xì)胞活性與增殖性評(píng)價(jià)　241
8.4.3　TGF-β誘導(dǎo)3D宮頸癌模型的EMT過程　242
8.4.4　EMT相關(guān)標(biāo)志物的檢測(cè)與評(píng)價(jià)　243
8.4.5　TGF-β阻斷劑用于抑制EMT過程　246
8.4.6　小結(jié)　247
參考文獻(xiàn)　248
第9章　生物3D打印構(gòu)建體外個(gè)性化腫瘤模型及其在抗癌藥物檢測(cè)中的應(yīng)用　252
9.1　引言　252
9.2　個(gè)性化腫瘤模型的生物3D打印工藝技術(shù)　257
9.2.1　打印技術(shù)及生物材料的選擇　257
9.2.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及細(xì)胞的選擇　260
9.3　個(gè)性化腫瘤模型的3D打印構(gòu)建及其生物學(xué)特性評(píng)價(jià)　262
9.3.1　存活率及增殖能力評(píng)價(jià)　263
9.3.2　腫瘤惡性程度、干性、纖維化指標(biāo)、入侵及遷移能力評(píng)估　264
9.3.3　基因組測(cè)序評(píng)價(jià)　268
9.4　個(gè)性化腫瘤模型在藥物檢測(cè)方面的應(yīng)用　270
9.5　挑戰(zhàn)和發(fā)展　271
9.5.1　細(xì)胞來源的局限性和新材料的應(yīng)用　271
9.5.2　精準(zhǔn)控制和長期培養(yǎng)：自愈性凝膠基底打印和血管化腫瘤模型　272
9.5.3　器官級(jí)別的藥物反應(yīng)：3D打印微流控腫瘤模型　273
9.6　總結(jié)與展望　275
參考文獻(xiàn)　275
第10章　生物3D打印構(gòu)建異質(zhì)細(xì)胞和異質(zhì)腫瘤模型及應(yīng)用　281
10.1　引言　281
10.2　異質(zhì)性與體外異質(zhì)細(xì)胞模型　281
10.2.1　細(xì)胞異質(zhì)性　282
10.2.2　微環(huán)境異質(zhì)性　282
10.2.3　腫瘤異質(zhì)性　282
10.2.4　體外異質(zhì)細(xì)胞模型的常規(guī)構(gòu)建技術(shù)　283
10.3　體外異質(zhì)細(xì)胞模型的生物3D打印構(gòu)建Ⅰ：構(gòu)建技術(shù)　288
10.3.1　生物3D打印技術(shù)　288
10.3.2　異質(zhì)細(xì)胞打印技術(shù)的系統(tǒng)搭建和工藝開發(fā)　289
10.4　體外異質(zhì)細(xì)胞模型的生物3D打印構(gòu)建Ⅱ：體外腫瘤模型構(gòu)建應(yīng)用　295
10.4.1　異質(zhì)腫瘤模型的設(shè)計(jì)　295
10.4.2　異質(zhì)腫瘤模型的分步構(gòu)建工藝　296
10.4.3　異質(zhì)腫瘤模型的一步構(gòu)建工藝　297
10.5　體外異質(zhì)細(xì)胞模型應(yīng)用、材料選擇及影響　299
10.5.1　異質(zhì)細(xì)胞模型的應(yīng)用　299
10.5.2　異質(zhì)細(xì)胞模型的材料選擇及影響　300
10.6　總結(jié)與展望　301
參考文獻(xiàn)　302
第11章　hiPSC細(xì)胞3D打印及擴(kuò)增　308
11.1　引言　308
11.2　hiPSC 3D打印工藝簡介　309
11.2.1　hiPSC細(xì)胞培養(yǎng)　310
11.2.2　羥丙基甲殼素墨水材料的制備及性能表征　311
11.2.3　hiPSC打印工藝參數(shù)的選擇　314
11.2.4　墨水組分對(duì)hiPSC打印成活率的影響　320
11.2.5　小結(jié)　321
11.3　應(yīng)用：基于細(xì)胞打印的hiPSC規(guī)模化擴(kuò)增與團(tuán)簇形成研究　322
11.3.1　引言　322
11.3.2　hiPSC