调控光固化3D打印水凝胶力学性能策略的研究进展

光固化三维(three dimension, 3D)打印技术在组织器官构建等生物医学领域有广泛应用,水凝胶是常用的生物3D打印材料,其力学性能是影响3D打印生物制品质量的重要因素之一。本文从水凝胶网络结构、制备工艺条件及3D打印结构等方面综述了改善光固化3D打印水凝胶力学性能的方法,简述了目前光固化3D打印水凝胶在力学性能研究方面所面临的挑战,为进一步改善光固化3D打印水凝胶的力学性能提供参考。     

基于水凝胶的内皮细胞三维培养

目的研究可注射温度敏感性水凝胶的生物相容性,探讨其做为三维培养材料的可行性。方法将人脐静脉内皮细胞株ECV304细胞接种于水凝胶,体外共同培养后进行形态结构观察,用MTT法检测ECV304细胞增殖活性,AO／EB试剂盒观察细胞凋亡,NO试剂盒测量细胞分泌NO等功能。结果ECV304细胞在水凝胶中生长及功能均比较理想。AO／EB双重染色有少量黄色荧光,显示仅有少量细胞凋亡。细胞在水凝胶中培养后上清液体中分泌的NO浓度与二维培养组之间差异显著性无统计学意义（P=0．948）。结论可注射温度敏感性水凝胶生物相容性好,是一种良好的三维培养材料,可作为种子细胞的载体应用于组织工程中。     

三维生物打印技术在泌尿系组织工程中的研究进展

针对泌尿系疾病导致的组织器官损伤和缺失,目前临床上的治疗方法存在局限性。组织工程通过对细胞、生物支架和生物相关分子的研究,提供了一种可替代或再生受损组织器官的治疗手段。三维（3D）生物打印技术作为新兴制造技术,能对载有细胞的生物材料精确控制,进一步推动着组织工程领域的发展。本文综述了3D生物打印技术在肾脏、输尿管、膀胱、尿道组织工程中的研究进展和应用,并讨论了目前面临的主要挑战和未来展望。     

基于同轴细胞打印双网络生物墨水优化及类血管支架的打印

文题释义：双网络生物墨水：生物墨水是指可以用于生物3D打印机的材料,具有类似细胞外基质的理化性质,可用于制造与人体器官相似的组织。双网络生物墨水内部具有两种交联网络,能使体外构建的组织具有良好的机械性能,适用于不同的应用场景。 同轴细胞打印：生物3D打印也叫细胞打印,是指操控细胞生物墨水体外构建活性组织的过程。同轴细胞打印是生物3D打印的延伸和发展,通过结合多层同轴针头可以直接快速制备含有内部连通网络的组织工程支架。 背景：细胞体外培养情况下无法在远离营养物质200 μm以上的区域存活,血管网络构建对组织工程领域厚组织和器官再生至关重要,同轴细胞打印为体外构建类血管通道提供了一种新的方式。 目的：优化生物墨水的同轴细胞打印性能,制备具有类血管结构的组织工程支架。 方法：通过间歇式巴氏灭菌制备无菌海藻酸钠溶液,冷冻保存;以脱胶蚕丝为原料制备无菌丝素蛋白冻干粉,密封保存;将丝素蛋白冻干粉加入解冻的海藻酸钠溶液中,再加入人脐静脉内皮细胞,作为生物墨水;将生物3D打印机的外轴连接生物墨水,内轴连接交联剂,同轴打印类血管支架材料,进行光学相干层析成像扫描、扫描电镜观察;拉伸测试海藻酸钠与丝素蛋白/海藻酸钠同轴打印环形试件(不含细胞)的弹性模量。采用冷冻保存7 d的海藻酸钠溶液与人脐静脉内皮细胞制作同轴打印支架,冷冻保存7 d的海藻酸钠溶液、人脐静脉内皮细胞与密封保存6个月的丝素蛋白冻干粉制作同轴打印支架,培养24 h后死活染色观察细胞存活率。设计打印串联与并联结构的类血管支架,培养1,3,7,10,14 d后检测细胞增殖情况。 结果与结论：①光学相干层析成像扫描显示,该混合生物墨水最高打印高度为9层,整体厚度约为4.4 mm;扫描电镜显示,类血管支架的中空纤维丝外壁呈无规则条状卷曲,存在微米级内部连通孔隙结构,中空纤维丝内壁具有更致密的孔隙结构;②丝素蛋白/海藻酸钠同轴打印环形试件的弹性模量大于单纯海藻酸钠同轴打印环形试件(P < 0.05);③采用保存7 d海藻酸钠溶液制作的支架细胞存活率为(86.7±3.4)%,加入丝素蛋白冻干粉支架的细胞存活率为(98.1±1.2)%,说明冷冻保存7 d的海藻酸钠溶液未染菌,丝素蛋白的保质期可达6个月;④并联结构类血管支架培养7,10,14 d的细胞增殖活性高于串联结构的类血管支架(P < 0.05);⑤结果表明,实验制备的类血管支架材料具有良好的生物相容性与机械性能。 ORCID: 0000-0002-5556-6672(张一帆) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

应用于3D生物打印的甲基丙烯酸酐化明胶水凝胶相关理化性能的研究进展

甲基丙烯酸酐化明胶（GelMA）水凝胶由明胶和甲基丙烯酸（MA）聚合反应合成。GelMA水凝胶的制备方法简单,并具有良好的生物相容性及机械性能可调节性,受到众多研究者的关注。其在伤口敷料、药物释放支架及组织工程等生物医学工程领域具有巨大的应用潜力。文章对GelMA水凝胶的制备及其性能进行概括,对近年来利用纳米材料、天然聚合物和合成聚合物与GelMA水凝胶结合对材料改性进行综述,并对应用于3D生物打印的多功能GelMA水凝胶未来发展方向进行总结与展望。GelMA水凝胶属于多肽类水凝胶,脆弱易碎裂的特征极大限制了其应用,经过后期的改性提高力学性能的同时,可能将造成其生物相容性的降低,使材料的最终临床转换面临重大挑战。未来将通过不断探索复合天然/合成聚合物的混合水凝胶,提升支架的机械性能,同时保留GelMA优越的生物相容性。特别是纳米材料与GelMA水凝胶结合,将支架实现智能功能,尤其是在敷料支架领域的研究。     

3D生物打印的肝结构体植入兔纤维化肝的研究

通过将三维(3D)生物打印的类肝水凝胶结构体,经肝表面贴覆法植入纤维化肝兔模型,探讨改善肝纤维化以及形成类肝组织结构的可行性。采用兔离体肝脏胶原酶消化法提取兔原代肝细胞,并采用四氯化碳(CC1₄)皮下注射诱导兔肝纤维化模型。选取30只肝纤维化兔,随机分为实验组、对照组、假手术组,每组10只。3D生物打印兔肝细胞-海藻酸钠-明胶3D水凝胶网格状结构体片段,经肝表面贴覆法植入兔纤维化肝,为实验组。植入16 d后,检测兔肝功能生化指标及肝脏组织病理学变化,观察肝纤维化的发展程度,以及类肝组织结构形成情况。按照设计的参数,打印出含有兔原代肝细胞的网格状水凝胶结构体。通过LIVE/DEAD双荧光染色观察,打印后肝结构体的细胞存活率为82%±3%。兔肝细胞水凝胶支架体内植入16天后,可见每个植入物的大部分支架材料尚未降解,未降解的植入物与肝脏贴合紧密,融合生长。通过检测兔肝功能生化指标及植入物之下的肝脏组织病理学观察,实验组兔肝功能生化指标分别为:ALT(90.26±13.05)U/L,AST(75.37±13.45)U/L,γGT(16.62±6.72)U/L,ALB(32.48±4.43)g/L,与对照组、假手术组之间比较均P>0.05。实验组、对照组、假手术组的肝纤维化程度病理学检查评分结果分别为2.95±0.50、3.11±0.58、3.02±0.62,各组之间比较均P>0.05。兔肝细胞-3D水凝胶支架的植入,使肝功能生化指标及兔肝脏纤维化程度稍有改善,但各组之间比较均无统计学意义。组织学观察结果表明,实验组植入物中肝细胞均匀分布,未见细胞变性及死亡,可形成类肝组织结构。3D生物打印的肝结构体具有再造肝样组织片段和实现部分肝功能的潜力,将在基础医学和临床之间搭建桥梁,为肝脏再生打下基础。     

水凝胶在心脏生物起搏和传导研究中的应用进展*

水凝胶在心脏起搏传导中的应用近年来进展迅速。一是可诱导心肌细胞的自发活性,使其具有起搏特性; 二是优化电子起搏器心肌- 电极界面,通过抗炎、抗纤维化、抗传导阻滞作用提高起搏效率;三是作为起搏细胞 的支架和载体,在构建起搏组织中发挥作用。水凝胶应用于生物传导的形式,则主要是将导电介质引入到水凝胶 中制备成导电水凝胶,然后利用其导电性、降解吸收性、生物相容性及力学性能,直接注射或者负载功能性细胞 后注射入心脏,以达到治疗恢复传导阻滞的目的。总的来说,水凝胶介导的生物起搏和传导,已展现出较大的应 用潜力,将来有望成为心律失常疾病治疗的理想解决方案。     

三维生物打印在泌尿系统修复重建中的应用及展望

三维(3D)生物打印是近年来新兴的一项生物组织工程学技术,其发展有利于解决目前临床组织器官修复的问题。本文就3D生物打印和泌尿系统修复重建的临床与研究现状进行回顾,并展望3D生物打印应用于泌尿系统修复重建中的可行性与临床价值。     

壳聚糖水凝胶与星形胶质细胞体外生物相容性评价的实验研究

研究壳聚糖水凝胶材料与星形胶质细胞的体外生物相容性,初步探讨壳聚糖水凝胶作为神经组织工程支架材料的可行性。利用氯化壳聚糖、β-甘油磷酸钠和羟乙基纤维素制备壳聚糖水凝胶,MTT法评价其细胞毒性;体外培养鉴定新生Wistar大鼠脑皮层星形胶质细胞;壳聚糖水凝胶与星形胶质细胞体外共培养,观察星形胶质细胞在材料上的生长;MTT法检测接种后1、35、、7d的细胞增殖度。体外成功制备壳聚糖水凝胶,该材料无细胞毒性;体外分离、培养得到状态良好的星形胶质细胞;体外星形胶质细胞在材料上培养呈星形,生长良好,有分支状突起形成;MTT结果表明,材料-细胞共培养组中的细胞增殖度明显高于单纯细胞组（P〈0.001）。壳聚糖水凝胶与星形胶质细胞在体外具有良好的生物相容性,有望作为神经组织工程支架材料。     

壳聚糖水凝胶与星形胶质细胞体外生物相容性评价的实验研究

研究壳聚糖水凝胶材料与星形胶质细胞的体外生物相容性,初步探讨壳聚糖水凝胶作为神经组织工程支架材料的可行性.利用氯化壳聚糖、β-甘油磷酸钠和羟乙基纤雏素制备壳聚糖水凝胶,MTT法评价其细胞毒性;体外培养鉴定新生Wistar大鼠脑皮层星形胶质细胞;壳聚糖水凝胶与星形胶质细胞体外共培养,观察星形胶质细胞在材料上的生长;MTT...     

Creating perfused functional vascular channels using 3D bio-printing technology

We developed a methodology using 3D bio-printing technology to create a functional in vitro vascular channel with perfused open lumen using only cells and biological matrices. The fabricated vasculature has a tight, confluent endothelium lining, presenting barrier function for both plasma protein and high-molecular weight dextran molecule. The fluidic vascular channel is capable of supporting the viability of tissue up to 5 mm in distance at 5 million cells/mL density under the physiological flow condition. In static-cultured vascular channels, active angiogenic sprouting from the vessel surface was observed whereas physiological flow strongly suppressed this process. Gene expression analysis was reported in this study to show the potential of this vessel model in vascular biology research. The methods have great potential in vascularized tissue fabrication using 3D bio-printing technology as the vascular channel is simultaneously created while cells and matrix are printed around the channel in desired 3D patterns. It can also serve as a unique experimental tool for investigating fundamental mechanisms of vascular remodeling with extracellular matrix and maturation process under 3D flow condition.     

冠脉树三维重建中几何变换矩阵的优化

冠脉造影图像间的几何变换矩阵是实现冠脉树三维重建的关键。本研究分析了优化几何变换矩阵的必要性，提出利用分支点坐标、分支血管方向矢量和分支夹角三类数据优化几何变换矩阵的方法，并给出了kvenberg-Marquardt算法的优化步骤。最后利用两幅未标定的单面冠脉造影图像，实现冠脉树骨架的三维重建。重建的误差统计结果表明，优化方法有效地提高了冠状动脉树三维重建的精度。     

3D reconstruction of peripheral nerves from optical projection tomography images: A method for studying fascicular interconnections and intraneural plexuses

The general microscopic characteristics of nerves are described in several textbooks of histology, but the specific microanatomies of most nerves that can be blocked by anesthesiologists are usually less well known. Our objective was to evaluate the 3D reconstruction of nerve fascicles from optical projection tomography images (OPT) and the ability to undertake an internal navigation exploring the morphology in detail, more specifically the fascicular interconnections. Median and lingual nerve samples were obtained from five euthanized piglets. OPT images of the samples were acquired and 3D reconstruction was performed. The OPT technique revealed the inner structure of the nerves at high resolution, including large and small fascicles, perineurium, interfascicular tissue, and epineurium. The fascicles were loosely packed inside the median nerve and more densely so in the lingual nerve. Analysis of the 3D models demonstrated that the nerve fascicles can show six general spatial patterns. Fascicular interconnections were clearly identified. The 3D reconstruction of nerve fascicles from OPT images opens a new path for research into the microstructure of the inner contents of fascicular nerve groups and their spatial disposition within the nerve including their interconnections. These techniques enable 3D images of partial areas of nerves to be produced and could became an excellent tool for obtaining data concerning the 3D microanatomy of nerves, essential for better interpretation of ultrasound images in clinical practice and thus avoiding possible neurological complications. Clin. Anat. 31:424–431, 2018. © 2017 Wiley Periodicals, Inc.     

光固化3D打印软组织材料的性能研究进展

光固化3D打印技术具有成型速度快、精度高的特点,可以精确控制需打印软组织的大小、形状和强度等,完成所需替代软组织支架的高匹配定制,有效解决软组织替代物的巨大缺口。目前该技术的应用范围取决于光敏材料的性能,首先,需具备适当的黏度、固化时间和固化收缩率等,以执行光固化打印并能控制打印组织的精度;其次,打印组织还需满足机体使用的机械性能(如强度、硬度、韧性)和良好的生物相容性(如促细胞黏附、增殖及分化),而降解性质、孔隙率、血管化等直接影响打印组织的机械性能或生物相容性。综述软组织支架打印所需光敏材料的基本性能和特殊性能要求及目前改良材料性能的方法,并展望光敏材料的发展趋势,对软组织工程光敏打印材料的开发具有指导意义。     

3D打印骨组织工程支架的制备技术

近年来,随着3D打印技术的飞速发展,人们开始通过3D打印技术去不断完善适合不同需求的定制骨组织工程支架。由于组织工程制造的支架是需要植入生物体内的,这就对支架有着极为严苛的要求。3D打印技术作为一种新兴制备骨组织工程支架的技术,其最大的优点是可以依照需求来定制个性化形状、结构,良好的宏微观结构、润湿性、机械强度和细胞反应的新型骨组织工程支架。本文回顾了2014―2019年间对骨组织工程支架的研究,对3D打印骨组织工程支架进行了总结,并且介绍了在多功能骨组织工程支架设计与制作中的理念与研究。     

三维OCT早期诊断开角型青光眼的价值

目的 探讨三维光学相干断层扫描技术（OCT）对开角型青光眼早期诊断的价值。方法 回顾性分析2016年5月~2019年5月黑龙江省医院收治的86例开角型青光眼患者临床资料,根据病情发展阶段不同分为A组（早期开角型青光眼,43例）、B组（中晚期开角型青光眼,43例）,比较两组各部位神经节细胞复合体（GCC）、黄斑区视网膜神经纤维层（mRNFL）、黄斑区神经节细胞层+内丛状层（GCIP）、视盘周围神经纤维（pRNFL）厚度。结果 A组mRNFL、GCIP、GCC上方、下方厚度均大于B组,pRNFL上方、下方、鼻侧、颞侧厚度均大于B组,差异有统计学意义（P＜0.05）。结论 三维OCT用于开角型青光眼的早期诊断能够较好的呈现出视网膜神经纤维层变薄的范围和区域,且不同病情发展阶段的mRNFL、GCIP、GCC、pRNFL存在较大差异,能够为疾病的评估提供较为明确的依据。     

The HUDSEN Atlas: a three-dimensional (3D) spatial framework for studying gene expression in the developing human brain

We are developing a three-dimensional (3D) atlas of the human embryonic brain using anatomical landmarks and gene expression data to define major subdivisions through 12 stages of development [Carnegie Stages (CS) 12-23; approximately 26-56 days post conception (dpc)]. Virtual 3D anatomical models are generated from intact specimens using optical projection tomography (OPT). Using MAPAINT software, selected gene expression data, gathered using standard methods of in situ hybridization and immunohistochemistry, are mapped to a representative 3D model for each chosen Carnegie stage. In these models, anatomical domains, defined on the basis of morphological landmarks and comparative knowledge of expression patterns in vertebrates, are linked to a developmental neuroanatomic ontology. Human gene expression patterns for genes with characteristic expression in different vertebrates (e.g. PAX6, GAD65 and OLIG2) are being used to confirm and/or refine the human anatomical domain boundaries. We have also developed interpolation software that digitally generates a full domain from partial data. Currently, the 3D models and a preliminary set of anatomical domains and ontology are available on the atlas pages along with gene expression data from approximately 100 genes in the HUDSEN Human Spatial Gene Expression Database (http://www.hudsen.org). The aim is that full 3D data will be generated from expression data used to define a more detailed set of anatomical domains linked to a more advanced anatomy ontology and all of these will be available online, contributing to the long-term goal of the atlas, which is to help maximize the effective use and dissemination of data wherever it is generated.     

利用同轴3D打印技术构建促内皮细胞生长类血管组织工程支架

体外构建血管网络对组织工程领域厚组织与器官再生至关重要。利用同轴3D打印技术,以海藻酸钠/丝素蛋白为生物墨水,可快速制备含人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的类血管组织工程支架。首先通过材料压缩模量和可打印性测试,优化适用于同轴系统的材料浓度;然后通过光学相干层析成像技术,研究打印参数对中空纤维丝形状的影响,优化同轴打印参数;结合模拟灌流实验,对支架内部类血管结构进行表征;最后通过细胞活、死染色和Alamar Blue法,检测支架中HUVECs生长情况。结果表明,经优化的生物墨水及打印参数能顺利制备具有内部联通性完整的类血管组织工程支架;HUVECs在体外培养时存在团聚生长现象,类血管通道的存在有利于维持组织整体活性,一周存活率在97%以上,且相比对照组能够维持较高的增殖速率。研究证明,利用同轴3D打印技术能成功构建促内皮细胞生长的类血管组织工程支架,可为厚组织及器官再生提供新的可能。