Advanced Healthcare Materials:《生物材料墨水》专刊

自1986年立体光固化技术问世以来,3D打印由于其独特优势在过去30年中受到越来越多的关注。该技术实际上是一系列方法的集合,这些方法包括挤出式打印、喷墨打印和基于光聚合的打印等,可以方便地对目标材料以全自动或半自动化的形式进行在三维空间中的塑形。然而,直到近十年左右,3D打印技术才被逐步广泛应用于医学和生物医学领域,用于制造医疗设备、植入材料以及活生物组织等。尽管3D打印方法是确保我们成功制造出体结构的重要因素,但“生物材料墨水”的贡献也同样不可忽略。这些生物材料墨水的设计必须使其不仅适用于特定的应用,并且首先要允许高保真3D结构的实现。

本期专刊由此汇聚了16篇高质量的文章,包括3篇综述、3篇进度报告和10篇研究论文,从不同角度阐述了生物材料墨水的设计、制备、打印及应用等。美国塔夫茨大学David Kaplan教授等讨论了用于丝材料的生物制造和生物打印(文章编号1901552);荷兰马斯特里赫特大学 Lorenzo Moroni教授等随后讨论了一类重要的生物墨水,即利用超分子和动态共价化学键形成的动态生物墨水在生物打印中的应用(文章编号1901798);最后,新西兰奥塔哥大学Tim Woodfield教授和Khoon Lim博士等进一步探讨了用于挤出式生物打印的多组分水凝胶生物墨水的设计原理(文章编号1901648)。

在3篇进度报告中,英国布里斯托大学Adam Perriman教授等首先通过对生物打印方方法设计、应用及生物墨水开发进行的讨论,概述了3D生物打印的最新进展(文章编号1900554)。美国哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授等接下来讨论了基于光固化的3D打印/生物打印方法中如何相应地配制和加工生物材料墨水(文章编号2000156)。除了传统的基于支架的组织制备之外,无支架、基于细胞的生物打印也正在成为一种趋势,而来自日本佐贺大学的Daiki Murata教授等详细总结了使用多细胞球体作为生物墨水实现生物打印的进展(文章编号1901831)。

本期特刊的其余部分以10篇有关生物材料墨水设计或应用的研究论文结束。该部分首先从加州大学圣地亚哥分校Shaochen Chen教授等的的工作开始,其演示了如何使用由透明质酸和肝素组成的生物墨水对光固化生物打印水凝胶结构中的生长因子进行可控的释放(文章编号1900977)。 奥地利维也纳工业大学Aleksandr Ovsianikov教授等使用基于双光子聚合的生物打印,表明硫醇-明胶-降冰片烯生物墨水能够实现高精度且具有长期细胞活性的结构的制备(文章编号1900752)。

对于挤出式生物打印,新西兰奥塔哥大学Khoon Lim博士等报导了低粘度生物墨水分步打印方案的开发,该方案首先通过一级化学交联来提高粘度,然后进行生物打印后二次光交联以长期保持形状的稳定性(文章编号1901544)。众所周知,养分和氧气在确保生物打印组织的活性和功能中起着关键作用。为此,中国浙江大学Yong He教授等提供了一种对明胶生物墨水和甲基丙烯酰化明胶生物墨水的交替结构进行生物打印的策略,在进行后续光交联后有选择的去除嵌入的明胶网络,以将剩余的甲基丙烯酰化明胶结构暴露于内部血管样网络中以增强养分交换(文章编号1901142)。 基于取得类似目标为出发点,美国加州大学洛杉矶分校Nureddin Ashammakhi教授和Ali Khademhosseini教授等则建立在一个完全不同的概念上,并设计了一种可产生氧气的甲基丙烯酰化明胶生物墨水,该墨水可从生物打印的心肌组织结构内部原位释放氧气,从而提高细胞的活性(文章编号1901794)。

之后的几篇研究论文围绕骨骼系统(骨和软骨)的生物打印进行。美国德州农工大学 Akhilesh Gaharwar教授和Roland Kaunas教授等证明,通过使用纳米硅酸盐增强的水凝胶生物墨水对支架进行生物打印,然后在表面上进行一层脱细胞的细胞外基质预处理,可以实现更高的成骨潜能(文章编号1901580)。 荷兰乌得勒支大学Riccardo Levato教授和新西兰奥塔哥大学Khoon Lim博士等描述了一种双重功能化的生物墨水,该生物墨水既可以用作生物打印的细胞载体,又可以通过单步光活化过程同时用作软骨粘合剂(文章编号1901792)。此外,德国维尔茨堡大学Torsten Blunk教授等发现将少量未修饰但分子量高的透明质酸混合进生物打印的可光交联的透明质酸结构中,软骨分化和形成得到了增强(文章编号2000737)。

在组织模型工程方面,美国乔治华盛顿大学Lijie Grace Zhang教授等提出了模仿不同组织的生物墨水配方并使用光固化打印方法来制备乳腺癌转移至血管化骨组织的三培养模型(文章编号1900924)。最后,美国卡耐基梅隆大学的Adam Feinberg教授等则利用悬浮3D打印技术用聚二甲基硅氧烷墨水制备针对个体病人的可穿戴设备,以实现对于重要健康信号的实时测量(文章编号1901735)。

本期特刊中的这些综述、进度报告和研究文章较清楚的体现了近些年来在设计生物材料墨水领域取得的进展。我们衷心感谢所有作者以及由于篇幅所限我们无法囊括的其他研究组所提供的宝贵支持。 我们同时对AHM责任编辑Irem Bayindir-Buchhalter博士表示由衷的感谢,以及Wiley-VCH的全体工作人员在过去一年半特刊处理过程中给予的巨大帮助。