生物材料三維打印技術及應用

目錄
總序
前言
第1章　緒論　1
1.1　引言　1
1.2　生物材料3D打印技術簡介　1
1.2.1　3D打印技術的基本概念與原理　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打印技術簡介　6
1.3　生物材料3D打印技術發(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　直接細胞打印　11
1.3.5　構建類器官、微生理系統(tǒng)和體外生命系統(tǒng)工程　11
1.4　生物材料3D打印技術應用現(xiàn)狀　11
1.4.1　組織工程與再生醫(yī)學應用　12
1.4.2　藥物檢測應用　13
1.4.3　病理模型及疾病研究應用　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　18
第2章　低溫沉積3D打印技術及其在骨和軟骨組織工程中的應用　22
2.1　引言　22
2.2　骨、軟骨支架的材料與結構設計　23
2.2.1　常用的支架材料　23
2.2.2　支架的材料結構設計　24
2.3　低溫沉積制造工藝原理及打印設備　26
2.3.1　低溫沉積制造工藝原理　26
2.3.2　低溫沉積3D打印設備　30
2.4　低溫沉積3D打印技術應用：骨與軟骨組織工程　37
2.4.1　修復大段骨缺損　37
2.4.2　梯度支架修復骨軟骨缺損　39
2.5　低溫沉積3D打印的拓展：仿生骨軟骨支架　41
2.5.1　仿生骨軟骨支架設計　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動物關節(jié)缺損　43
2.6　總結與展望　45
參考文獻　46
第3章　微擠出式細胞3D打印技術及應用　49
3.1　引言　49
3.2　微擠出式細胞3D打印技術及生物墨水概述　49
3.2.1　微擠出式細胞3D打印技術　49
3.2.2　微擠出式細胞3D打印生物墨水　50
3.3　微擠出式細胞3D打印的共性技術問題　51
3.3.1　微擠出式細胞3D打印的技術共性特征　51
3.3.2　微擠出式細胞3D打印的技術共性要求　52
3.3.3　微擠出式細胞3D打印的通用性技術策略　55
3.4　典型微擠出式細胞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　工藝過程設計　60
3.4.3　結構成形性及工藝參數(shù)對結構成形性影響　61
3.4.4　生物相容性、工藝參數(shù)及剪切力對細胞存活率的影響　66
3.4.5　工藝參數(shù)、結構成形性與細胞存活率的耦合　69
3.5　微擠出式細胞3D打印微環(huán)境中基本生物學表征　71
3.5.1　微擠出式細胞3D打印細胞活性表征　71
3.5.2　微擠出式細胞3D打印細胞增殖表征　74
3.6　微擠出式細胞3D打印技術應用：胚胎干細胞及多能干細胞3D打印　75
3.6.1　胚胎干細胞及多能干細胞簡介　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　總結與展望　85
3.7.1　通用化的解決方案　85
3.7.2　機器學習及智能化控制　86
3.7.3　生物4D打印　86
參考文獻　86
第4章　噴墨式細胞3D打印技術及其在皮膚打印中的應用　89
4.1　噴墨打印技術的發(fā)展歷史　89
4.2　噴墨式細胞打印技術介紹　90
4.2.1　噴墨式細胞打印工作原理　90
4.2.2　噴墨式細胞3D打印工藝　94
4.2.3　噴墨式細胞打印設備　96
4.3　噴墨式細胞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　噴墨式細胞3D打印的特點與優(yōu)勢　101
4.5　噴墨打印對細胞功能的影響　103
4.6　噴墨式細胞3D打印技術應用：組織工程皮膚打印　106
4.6.1　組織工程皮膚背景　106
4.6.2　噴墨打印構建人工皮膚　107
4.6.3　展望　114
4.7　總結與展望　115
參考文獻　117
第5章　熔融微擠壓3D打印技術及其在合成高分子材料3D打印中的應用　120
5.1　引言　120
5.2　熔融微擠壓打印技術　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　支架結構表征　131
5.4.3　復合支架打印　132
5.4.4　支架表面改性　133
5.4.5　支架生物學評價　135
5.5　3D打印合成高分子生物材料應用：可降解心血管支架打印　138
5.5.1　心血管支架設計　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　總結與展望　148
參考文獻　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用　153
6.1　引言　153
6.2　生物3D打印微納米纖維技術簡介　154
6.2.1　擠出式3D打印成絲制備技術　154
6.2.2　微流控紡絲　155
6.2.3　靜電紡絲　156
6.2.4　近場靜電紡絲　157
6.3　生物3D打印微納米纖維眼角膜支架模型　160
6.3.1　構建角膜組織材料選擇　160
6.3.2　角膜的3D打印構建技術　161
6.3.3　角膜的3D打印模型的物理及結構表征　163
6.4　打印角膜支架應用：誘導角膜組織再生　167
6.4.1　拓撲結構及化學因子對角膜基質細胞表型維持的影響　167
6.4.2　大鼠基質內板層移植及評估　170
6.5　總結與展望　172
6.5.1　總結　172
6.5.2　展望　173
參考文獻　174
第7章　生物3D打印構建血管化心肌組織結構及應用　178
7.1　引言　178
7.2　3D打印心肌組織技術進展　181
7.2.1　微擠出式打印在心肌組織構建的應用　181
7.2.2　懸浮打印在心肌組織構建的應用　182
7.3　血管化心肌組織的打印　185
7.3.1　仿生結構心肌支架設計　185
7.3.2　心肌支架成形的技術方案　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　仿生心肌支架的結構形態(tài)學表征　195
7.3.6　細胞種植與心肌支架的生物功能評價　198
7.4　總結與展望　202
參考文獻　204
第8章　生物3D打印構建體外類腫瘤模型及其應用　207
8.1　三維腫瘤模型發(fā)展趨勢　207
8.2　腫瘤細胞打印工藝技術介紹　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胞存活率的關系　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系　222
8.2.5　小結　225
8.3　生物3D打印體外類腫瘤模型的構建　226
8.3.1　引言　226
8.3.2　生物3D打印技術構建A549類肺腫瘤模型　227
8.3.3　生物3D打印技術構建HeLa類宮頸癌腫瘤模型　230
8.3.4　小結　239
8.4　生物3D打印體外類腫瘤模型的應用：上皮-間質轉化特性研究　239
8.4.1　引言　239
8.4.2　3D打印宮頸癌模型及其細胞活性與增殖性評價　241
8.4.3　TGF-β誘導3D宮頸癌模型的EMT過程　242
8.4.4　EMT相關標志物的檢測與評價　243
8.4.5　TGF-β阻斷劑用于抑制EMT過程　246
8.4.6　小結　247
參考文獻　248
第9章　生物3D打印構建體外個性化腫瘤模型及其在抗癌藥物檢測中的應用　252
9.1　引言　252
9.2　個性化腫瘤模型的生物3D打印工藝技術　257
9.2.1　打印技術及生物材料的選擇　257
9.2.2　結構設計及細胞的選擇　260
9.3　個性化腫瘤模型的3D打印構建及其生物學特性評價　262
9.3.1　存活率及增殖能力評價　263
9.3.2　腫瘤惡性程度、干性、纖維化指標、入侵及遷移能力評估　264
9.3.3　基因組測序評價　268
9.4　個性化腫瘤模型在藥物檢測方面的應用　270
9.5　挑戰(zhàn)和發(fā)展　271
9.5.1　細胞來源的局限性和新材料的應用　271
9.5.2　精準控制和長期培養(yǎng)：自愈性凝膠基底打印和血管化腫瘤模型　272
9.5.3　器官級別的藥物反應：3D打印微流控腫瘤模型　273
9.6　總結與展望　275
參考文獻　275
第10章　生物3D打印構建異質細胞和異質腫瘤模型及應用　281
10.1　引言　281
10.2　異質性與體外異質細胞模型　281
10.2.1　細胞異質性　282
10.2.2　微環(huán)境異質性　282
10.2.3　腫瘤異質性　282
10.2.4　體外異質細胞模型的常規(guī)構建技術　283
10.3　體外異質細胞模型的生物3D打印構建Ⅰ：構建技術　288
10.3.1　生物3D打印技術　288
10.3.2　異質細胞打印技術的系統(tǒng)搭建和工藝開發(fā)　289
10.4　體外異質細胞模型的生物3D打印構建Ⅱ：體外腫瘤模型構建應用　295
10.4.1　異質腫瘤模型的設計　295
10.4.2　異質腫瘤模型的分步構建工藝　296
10.4.3　異質腫瘤模型的一步構建工藝　297
10.5　體外異質細胞模型應用、材料選擇及影響　299
10.5.1　異質細胞模型的應用　299
10.5.2　異質細胞模型的材料選擇及影響　300
10.6　總結與展望　301
參考文獻　302
第11章　hiPSC細胞3D打印及擴增　308
11.1　引言　308
11.2　hiPSC 3D打印工藝簡介　309
11.2.1　hiPSC細胞培養(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hiPSC打印成活率的影響　320
11.2.5　小結　321
11.3　應用：基于細胞打印的hiPSC規(guī)?；瘮U增與團簇形成研究　322
11.3.1　引言　322
11.3.2　hiPSC