作者:Andrew Gleadall et al. 来源:Burns & Trauma 发布时间:2018/7/12 16:40:08
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增材制造”与组织工程支架:复杂几何结构的实现

论文题目:Review of additive manufactured tissue engineering scaffolds: relationship between geometry and performance

期刊:Burns & Trauma

作者:Andrew Gleadall et al.

发表时间:2018/7/3

数字识别码:10.1186/s41038-018-0121-4

原文链接:https://link.springer.com/article/10.1186/s41038-018-0121-4?utm_source=Other_website&utm_medium=Website_links&utm_content=DaiDen-BMC-Burns_and_Trauma-Biomaterials-China&utm_campaign=AJH_USG_BSCN_DD_BT_Review

“组织工程(tissue engineering)”是将“种子细胞”接种于可降解的“生物支架”,利用细胞生物学和材料学技术,构建人造组织器官。该技术由美国Joseph P. Vacanti和Robert Langer教授自20世纪80年代提出,目前已在皮肤、骨、软骨、血管、角膜等人体组织器官修复重建中取得重大进展。

什么是“增材制造”?

“增材制造(Additive manufacturing)” (或称3D打印)技术是新型的材料加工制造技术。与传统的材料制造技术(如切削、打磨、组装等)不同,“增材制造”过程是材料逐渐累积的过程。相比于传统制造方式,该技术的优点为可制作复杂的空间几何结构,实现个性化定制,进而有望满足生物材料的复杂要求。增材制造技术目前已广泛应用于组织工程支架的制作。

最近,Burns & Trauma刊登了英国拉夫堡大学(Loughborough University)Andrew Gleadall教授的一篇综述,详细介绍了如何利用增材制造技术制作结构复杂的组织工程支架。

关于“增材制造”与组织工程的综述报道较多。但是,该综述有如下值得推荐之处:

01

利于无相关研究背景的读者认识“增材制造”

该综述以”基于挤出的增材制造”技术为例,讲述了增材制造的发展、分类、对比、软件、应用等。对该领域不熟悉的“小白”,可通过该综述对“增材制造”有较明确的认识。虽然文中涉及较多材料学、工程学、生物学的专业知识,但是无相关研究背景的读者可轻松理解。

除此之外,为了避免混淆,作者归纳总结了“增材制造”领域的近义词、同义词(Table 1)。这将有利于读者深入了解该领域,并且减少误读和歧义。

02

汇总了“增材制造”中实现复杂几何结构的方法

该综述共呈现了11张图片,其中有7张图片(Figure 3~5, 8~11)详述了实现复杂几何结构的方法。文中提及的复杂几何结构包括混合材料结构(Fig. 3)、纤维角度和方向多变的结构(Fig. 4、8)、创新型结构(Fig. 5)、弧面(波浪)型结构(Fig. 9)、多层结构(Fig. 10)等。这或许会使读者惊喜地意识到:仅仅基于“将材料挤出喷嘴”这样简单的原理,竟然可以形成如此种类繁多的空间结构。相对于2D打印技术而言,3D打印技术增加了一个维度,同时也增加了指数级的空间分布可能性。这或许正是“增材制造”的魅力所在。

众所周知,天然生物体的显微结构并非横平竖直,往往具有“复杂的梯度性变化”。 过去我们常常认为,单纯的增材技术难以实现复杂的仿生设计,只有与传统制造方式结合才可能制备仿生结构。可贵的是,本综述拓展了增材制造的应用方式,不但可成为研究者的“技术手册”,而且有望为仿生型组织工程支架的制造提供灵感。

03

提出的关于“增材制造”未来发展的倡议值得关注

作者认为,增材制造的能力并没有被充分挖掘。限制增材制造技术大展身手的主要原因是软件,而非硬件设备。因为大多数增材制造的控制软件均是“普适化”,因此很难满足不同组织器官“个性化定制”的要求。仅仅将软件升级,即可实现仪器功能的巨大提升。

作者倡议,工程师和生物医学专家应该深入合作。如果可以的话,文章发表时,研究使用的软件应该同时共享。除此之外,作者认为目前研究倾向于观察短期效果,应该鼓励长期观察的研究。这些倡议若得到贯彻落实,有望使增材制造技术实现较大突破。

展望未来

全球每天约有2300万台大型手术,其中多数是关于人体组织器官的重建、修复和替换。但是,目前组织器官供体严重缺乏,外科医师做的最多的手术操作是“修复和切除”,而非“重建和替换”。“组织工程”与“增材制造”领域的结合有望产生重大突破,制造出完美的人造组织器官,拯救无数患者的生命。

通讯员简介

王玉振,主治医师,医学博士,毕业于陆军军医大学(第三军医大学)烧伤外科学专业,获博士学位。现工作于中国人民解放军第三二二医院,烧伤整形科,主治医师。

研究领域:生物材料、增材制造、人工皮肤、药物控释。以第一作者发表SCI文章4篇,累计影响因子19分。申请国家发明专利3项。

通讯地址:山西省大同市城区云中路2号,解放军322医院烧伤科,邮编:037006。邮箱:wangyuzhen0201@126.com

摘要:

Material extrusion additive manufacturing has rapidly grown in use for tissue engineering research since its adoption in the year 2000. It has enabled researchers to produce scaffolds with intricate porous geometries that were not feasible with traditional manufacturing processes. Researchers can control the structural geometry through a wide range of customisable printing parameters and design choices including material, print path, temperature, and many other process parameters. Currently, the impact of these choices is not fully understood. This review focuses on how the position and orientation of extruded filaments, which sometimes referred to as the print path, lay-down pattern, or simply “scaffold design”, affect scaffold properties and biological performance. By analysing trends across multiple studies, new understanding was developed on how filament position affects mechanical properties. Biological performance was also found to be affected by filament position, but a lack of consensus between studies indicates a need for further research and understanding. In most research studies, scaffold design was dictated by capabilities of additive manufacturing software rather than free-form design of structural geometry optimised for biological requirements. There is scope for much greater application of engineering innovation to additive manufacture novel geometries. To achieve this, better understanding of biological requirements is needed to enable the effective specification of ideal scaffold geometries.

阅读论文原文,请访问https://link.springer.com/article/10.1186/s41038-018-0121-4?utm_source=Other_website&utm_medium=Website_links&utm_content=DaiDen-BMC-Burns_and_Trauma-Biomaterials-China&utm_campaign=AJH_USG_BSCN_DD_BT_Review

来源:(科学网)

 
 
 
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