090EngineeringVolume 1·Issue 1·March 2015www.engineering.org.cn研究Research3D打印评论Engineering 2015，1（1）：90-用于组织工程和药物交付的3D光制造鲁本F。佩雷拉1，2，3，4和Paulo J.野蛮人1,5,6*具体介绍目前工程中的最佳实践策略涉及到一个生物材料试验，生活细胞和生物活性分子的整合，以工程合成环境，在人类的时间表中消除了存在的milieu，以及该多类型修复和再生。要在临床上有效，他们的环境必须复制，作为尽可能的，本地细胞外基质（ECM）的主要特征在细胞和亚细胞尺度上。Photo-Fabrication techniques已经准备好了生成3D环境与精密建筑和异质组成，通过一个多层次的过程涉及到一个光敏感的prepolymer的选择性photocroslinking反应。细胞和therapeutic分子可以被包括在最初的氢前体解决方法，并且进程在3D结构 。 最 近 ， photo- fabrication has also been explored todynamically modulate Hydrogen features in real time，提供细胞因子的增强控制和交付生物活性化合物.本文重点介绍了如何使用3D照片制造技术来提高生产力，从而实现再生和药物交付应用。国家的最先进的照片制造技术被描述，与在操作原理和biofabrication战略创建空间控制的细胞和生物活性因子模式.考虑到它的快速处理，空间时间控制，高分辨率和accuracy，照片制造是在公司的3D结构的设计中取得关键作用。This技术它能够提供适当的环境进行及时再生，并调节治疗学的空间时间交付。KEYWORDS3D照片制造，生物材料，生命工程，药物交付1 导言In the Past Two Decades，the field of tissue Engineering has在二十年前，当代工程的领域experienced significant advances in multiple areas（在多个领域中经历重大的进步）[1-7] Isola-新细胞源的合成，先进生物材料与高水平的生物医学，新药物的发现，和高通量商业化战略的发展，结果在创新的临床生物疗法的发展，以刺激修复和改善不良的临床结果的再生[1-7]。当前治疗中的相互关系工程和再生医学可以广泛分类为三个主要组：①基于细胞的治疗，②细胞或细胞-seeded scaffold治疗，以及细胞-laden结构/矩阵的im-种植（图1）。基于细胞的治疗，autologous，allogenic，or heterolo-格斯细胞是从病人（autologous）或一个捐赠者（alllogenic，heterologous ） ， 并 提 交 到 一 套 处 理 步 骤 （ 例 如 ， cellsorting，in vitroexpansion）for sub-sequent implantation intothe lesion [8].用于子序列植入。Despite the relative simplicityof this therapy，it faces major difficulties in main- taining theadministered cell in the desired location for clini- cally relatedperiods of time ， without a decrease of cell via- bility post-injection.抛弃这个治疗方法的相对简单，它面对主要困难-在渴望的位置培养细胞-cally相关的时间，没有通过- bility post-injection 细 胞 的 增 长 。 Alternatively ， Cells might beimmobilized within polymeric vehicles in order to improvethe residence time in the target ， and enhance the clinicalefficacy [9].替代性地，细胞必须被非机动化，但必须遵循既有polymeric vehicles的命令，以改善目的的residence时间，并提高临床效率。他的著作包括：“停留在疾病和生物工艺的维度上--石灰分类法的特征，最好的选择，作为一种可变材料的部署，它提供了一种临时环境，引导渗透，殖民化，攻击，以及进一步扩散，促进新的超级矩阵的合成”（1，10）。To stimu-late the revisative process in an appropriate way，scaffoldsmust fulfill a series of classic physicemical，mechanical，andbiological requisites ， including biocompatibility ， biore-sorabiity ， non-cytotoxicity ， appropriatestiffness ，elasticity，and surface properties [1，10，11].请在一个合适的方式中修复过程，机械，和表面性能[1]。Scaffold的特性是由所选生物材料的自然和化学确定的主要特征。天然和合成聚合物是最大的善意使用生物材料，allowing the Fabrication ofscaffolds with a wide range of bioactivity，biomimicry，bio-1Centre for Rapid and Sustainable Product Development（CDRsp），理利亚理工学院，Marinha Grande 2430-028，Portugal;2健康研究与创新研究所（I3 S），波尔图大学，Porto 4200-393，Portugal;3国立生物医学工程研究所（INEB），波尔图大学，波尔图4150-180，葡萄牙;4生物医学科学研究所Abel Salbas，波尔图大学，Porto University，Porto 4200- 393，Manchester University of Civil Aerospace;曼彻斯特生物医学工程学院（MDN.），曼彻斯特大学，MDN..* Correspondence作者电子邮件：paulojorge. manchester.ac.uk2015年3月5日获通过;2015年3月25日获通过;2015年3月25日获通过© The Author（s）2015。由Engineering Sciences Press出版这是CC BY许可证下的开放访问文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）www.engineering.org.cn第1卷·第1期· March 2015Engineering0913D打印回顾研究3D PrintingReviewResearch（a）健康的捐赠者HealthyDonor被捕细胞细胞隔离2D体外细胞文化隔离Cell Injection体外细胞注射（B）适用于3D scaffolding fabrication战略2战略3SLAFDMPOROUS 3DSCAFFLD相关游戏细胞种子CellSeedingIn vitroculture in bioreator生物反应器SLS3DP战略1（C）Bioprinting processes for the fabrication of cell-laden constructs（细胞-生物材料1Cell Type AInkjet激光生物打印Laser bioprintingExtraction的Cell-laden3D construct生物材料2Cell Type B图1。主要用于抗衰老和再生医学。（一）基于细胞的治疗;（二）scaffold-based治疗;（三）基于细胞-laden 3D结构的植入治疗。基于scaffold-based therapy，scaffolds can be implanted without cell（Strategy 1），after cell seeding（Strategy 2），or upon in vitro culture（Strategy 3）.基于scaffold-based治疗，无细胞移植（策略1），种子移植后移植（策略2），或体外培养（策略3）. 8. For simplicity，traditional biomobrication techniques to produce 3D scaffolds were notconsidered in this work. 3.为了简单，传统生物制造技术来生产3D scaffolds在这项工作中不考虑。退化和交互性细胞性能[12]。For certain applications，such asbone or osteochondral tissue engineer- ing ， polymericscaffolds are usually reforced with bioac-tiveceramicmaterials.（例如，一些应用程序，作为一个骨关节炎或骨关节炎 工 程 师 -ing ， polymeric scaffolds are ually reforced withbioac- tive ceramic materials。hydroxyapatite or β-tricalcium磷酸盐），为了achieve better矿化和整合在主机[13，14]。除了生物材料的自然特性外，生物制造技术还确定了scaffold的关键特性。pore size，shape and inter-connectivity ，internalarchitecture，microandmacroporosity，surfacetopography，and spatial distribution of pores）at a macro，micro，and nanometric scale，strongly influencing thein vitrocell behavior and thein vivo tissue formation [15-17].在宏观、微观和空间分布上，在体外细胞行为和体内组织结构上的应变。到目前为止，多种生物制造技术是可用于生产二维（2D）和三维（3D）矩阵用于scaffold-based治疗。传统的生物燃料技 术 ， Such as solvent casting ， freeze drying ， or gasfoaming，在制造多孔scaf- folds来自一个变量的生物材料中非常有用。这种持续使用是主要的做他们的简单和低成本，因为他们不要求任何sophisticated machinery。2. However，theyprovide limited control over the internal architecture（它们对国际建筑的有限控制）“空间，空间大小，空间分布，孔的相互连接性。090EngineeringVolume 1·Issue 1·March 2015www.engineering.org.cn3D打印评论Research对生物材料的空间变量的引入实施严重的限制，而不是分散的[10，18]。另一个重要的限制是不可能的包括生活细胞和签署分子在制造期间，不符合的solvents，lengthy timescales，和困难条件存在[18]。在对比、添加bioboabrication技术、Suchas stereolithography（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、melt extrosion or fused deposition model- ing （ FDM） 、inkjet printing or 3D printing （ 3DP ） 、 enable thefabricationofscaffoldswithenhancedaccuracy，resolution，and reproducibility [1，19]。使用这些技术，3Dscaffolds是自动生成通过一个层按层的方法，重标记增加复杂性和异质性的制造结构。Additive technolo- gies allow forintegration with medical-imaging systems ， and providebetter control over scaffold properties.增加技术，为医学影像系统的整合提供更好的控制。然而，在这些技术中，主要的Drawbacks坚持观察细胞的非同质性种子，胰岛素vascu-larization，和异质性生长。Therapies基于蜂窝-laden矩阵的部 署 appear to be promising alternatives to address thelimitations of cell- and scaffold-based modalities，throughthe direct fabrication of。3D打印回顾研究3D PrintingReviewResearchwww.engineering.org.cn第1卷·第1期· March 2015Engineering093异质性3D环境组织不同长度的范围[21]。在这些Therapies，agroup of biobiabrication technology- nologies capable ofmanipulating a plethora of biomaterials 、 cell 和 signalingmoleculesareemployedtogeneratespe-citilizedenvironments that capulate the native ECM of the targettissue ， not only from a structural point of view ， but alsofrom a biochemical perspective [20，22].在这些治疗中，生物化学角度的可用的生物工程组，而不是只能从一个结构的观点来看，从一个生物化学角度[22]。这些技术，作为生物打印，被认为是技术工程中的关键工具。他们能通过一个受控层按层沉积的prepolymer解决方法，暂挂的细胞，细胞聚集，和biologically活性分子（引用作为“bioink”）在一个重新收割的substrate （ 知 道 的 “ 生 物 纸 ” ） [18 ， 22] 。 Bioprinting hassuccessfully applied in the fabrication of cell-laden constructswithenhancedlevelsofheterogeneity，whichsi-multaneously act as scaffolds to accommodate embedded celland platforms for delivery of therapeutic molecules [23].成功地应用于细胞-laden构建具有高度异质性的水平，which si-多变量充当作为scaffolds到accommodate embedded细胞和平台来交付热分子[23]。Among the biofabrication techniques currently being ap-plied to produce 3D constructs for biomedical applications，photo-Fabrication technologies have been attracting increas-ing interests，due to their excellent resolution，accuracy，and ability to precisely manipate biomaterials ， cell ， andthera- peutic ules in 3D environments [24]生物材料，制造技术已经在3D环境精确地操纵生物材料，细胞，和其他分子原料[24] 。 In photo-fabrication- tion technologies ， a variety oflight-induced reactions，such，美国photopolymerization、photopatterning和photodegra- dation，正在促进的合成的氢燃料（photopolymerization）和/或引入biochemical或机械更改在氢燃料网络（photopat- terning和photodegradation）。光 诱 导 的 反 应 Involved 在 photo-fabrication allowin situCrosslinking的photosensive polymers在细胞和生物活性分子的存在下，提供全面的控制超过在氢燃料的时空形成[25，26]。这些技术也很好地证明了他们能够在实时微尺度分辨率下操 纵 水 凝 胶 的 特 性 。 alter- ing gel crosslinking density ，locallycleavingphotosensivebonds ， andpatterningbiological functionities ） ， provid- ing further control overcell functions（例如 ，在细胞上进 行实验）migration andproliferation ） and the release of biochemical ligands [24 ，27，28]（英文）本文回顾了3D photo-fabrication策略的近期发展，以进行时间再生和提供治疗学。下一节将介绍光敏感系统的关键要素，聚焦于光敏感系统、商业化计划、photoinitiators和投入聚合物链的反应功能组的策略。子顺序部分体现了用于生物医学应用的3D工程师的照片制造技术。2 用于生物制造的工程图像敏感系统PhotoSensitive Systems可以被定义为基于polymer的模拟，以响应外部光刺激，通过一系列物理，化学或机械特征的变化。Photopolymerization和photodegradation反应是常见的触发更改在一个照片-敏感系统和到3D结构生产。Photopolymerization是其中一个创造的共价交叉链接的水凝胶的最佳被利用的方法，通过前posure的一个photosensitive系统综合的未饱和的前体，photoinitiators，和其他组合成功细胞和 therapeutic 分子 ，到 ultraviolet（ 200-400 nm） or visiblelight（400-800 nm）[25，29]。使用少量能量促进快速原位形成的水凝胶（Occuring in timescales of a few minutes），under biocompatible reaction conditions and low initiatingradical doses 。 此 RAP- id formation provides facile controlover the spatiotemporal formation of the gel at related lengthscales [25，30，31]相关长度的凝胶的形成。由光会议的分辨率和空间控制不仅重要到诱导水凝胶交叉链接，但也对①促进photosensitive bonds的局部清洁[32]，②在3D环境中引入特定的生物化学功能[27]，并协助印刷cel-lular生物毒素[33]。2.1 Photopolymerization反应Photopolymerization 反 应 used for the synthesis of bio-compatible hydrogels can be classified into free-radical-initi-ated chain polymerization and bio-orthogonal click reactions[34]生物适合的水凝胶可以被分类为自由基-initi- ated链聚合和生物正交单击反应[34]。自由基的photopolymerization，基于（meth.m.）acrylatefunctionalized prepolymers和occurring通过一个链-增长力学（图2），是最流行的方法生产水凝胶。被photoinitiators触发器吸收的入射光能量（光子）触发器使自由基的形成与乙烯债券存在于prepolymer中，促进化学交叉的建立-链接在polymer链之间[35]。这种多汞化反应允许来自自然和合成聚合物变量的水凝胶的合成，结果为具有可调节机械，降解和生物利用的水 凝 胶。 Hydrogels can also be further functionalized withcell adhesive moieties and degradation sites in a relativelyeasy and reproducible manner [36，37]. Hydrogels can alsobe further functionalized with cell adhesive moieties anddegradation sites in a relatively easy and reproduciblemanner [36，37]. Hydrogels可以用细胞增强Moiive Moieties和退化的Moies的功能来代替[36，37]。However，激进的初始化的增长的中国已经严重的限制，包括：①相对贫困控制交叉链接动力学，②oxygeninhibition ， duethepresenceofunreacteddoublebonds that might potentially react with biologicalsubstances，andthe generation of heterogeneities within thepolymernetwork ， due to the random chain polymerization[30，34，38，39]（未反应的双债券的存在，有可能与生物物质一起反应，以及在polymer网络中产生的异质性的一代，对随机链的聚合[30，34，38，39]）。10.在其他的手，生物正交键反应被正交反应和多细胞反应的逐渐增长的机制所表征，用最小的网络缺陷使结构化的统一氢的制造[30，34，38，39]。[27 ， 39 ， 40] In addition ， click chemistry is insensive towater and oxygen ， and can proceded under Mild reactionconditions with higher efficiency ， selectivity ， and fasterkinetics when compared to free-radical polymerization [27，39，40].[27，39，40].Amongthemyriadofexistingbio-orthogonalclickschemes，the thiol-norbornene（thiol-ene）photoclick reac-tion has emerged as a powerful method for bio-compatibleengineering 生 物 适 合 的 水 凝 胶 。 此 反 应 涉 及 光 介 导 的orthogonal反应之间multifunctionalized mac- romers这是end-capped与norbornene的功能092EngineeringVolume 1·Issue 1·March 2015www.engineering.org.cn3D打印评论Research自由的激进的photopolymerizationThiol-ene photoclick反应ROUV/可见UV/可见或SSHRRPhotoinitiator摄影师RRPhotoinitiator摄影师时空控制SpatiotemporalControl随机链时空控制SpatiotemporalControl最小网络MinimalNetwork缺陷Heterogeneous网络Cross-reactivitywithChain-growth mechanism逐渐增长的机械论图2。光介导的聚合反应，以工程水凝胶进行阶段工程。并 且 Suldhydryl-containing linkers ， in the presence of lowamounts of photoinitiator [34，39-41]。在紫外线或可见光辐射下，过敏反应促进了快速激进介导的儿童营养素的添加（例如，bis-cysteine peptides和dithiothreitol）to carbon-carbondouble bonds within functionalized prepolymers （ 例 如 ，norbornene-functionalized four-arm poly（ethylene glycol）（ PEG ） ） ， yielding thioether bonds without inducingcytotoxic effects to the封装细胞（图2）[27，42，43]。像自由基 多 药 化 ， THETHETHIEN-ENEREACTIONISphotochemicallycontrolledandaf-fordsthelocalizedcovalent tethering of PENANT matrix me- talloproteinase（MMP）-degradable and/or adhesive peptide sequences，resulting in enhanced control of hydrogel deg- radation，cellfate ， and cell-matrix interactions [27] 。 Radical- mediatedthool-norbornene photopolymerization can also be performedin both cell and cell-laden hydrogels，for ma- nipulating thebiomechanicalandbiochemicalcharacteristicsofthehydrogels[44].激进-介导的thool-norbornenephotopolymerization可以在细胞和细胞-链氢燃料中执行，为ma-nipulatingthebiomechanical和biochemicalcharacteristics of the hydrogels [44]。2.2 Cytocompatible photoinitiators相关选择一个合适的photoinitiator是一个初步的要求-网站来筛选一个合适的聚合速率和明确的细胞嵌入式细胞和surrounding股票的细胞毒性效应。当选择一个photoinitiator，关键特性应被考虑，包括水的解决方案，稳定性，吸收光谱，摩尔吸收率，并在生成自由基效率[25，43]。Currently Available photo-initiators can be divided into two main categories：radical orjacionic [15]：激进的或罪恶的。Radical photoinitiators arethe most used，due to their superior biocompatibility. 激进photoinitiators是最使用的，他们的优越biocompatibility。其他手，阳离子photoinitiators结果的使用在形成的protonicacids，使这些photoinitiators不使用在生物医学应用[25]。根据机 械 论 Involved in the generation of free radicals， Radicalphotoinitiators can be further categorized as photo-cleavablephotoinitiators（type I）or bimolecular photoinitiators（typeII）.在自由基的生成中，激进的photoinitiators可以被分类为photo-cleavablephotoinitiators （ typeI ） 或 双 分 子photoinitiators （ type II ） 。 Upon Light Exposure ， Type IPhotoinitiators（英文）Benzoin derivatives，benzyl ke- tal，acetophenonederivatives，Hydroxyalkylphenones和Acylphine oxides）吸收事件photons和decom-www.engineering.org.cn第1卷·第1期· March 2015Engineering0933D打印回顾研究3D PrintingReviewResearchpose into two primary radicals that initiate the crosslink-ing，whereas type II photoinitiators（两个主要激进分子发起交叉链接，何时类型II photoinitiators）benzophenone，camphorquinone ， andthioxanthone ） abstractthehydrogen from a co-initiator to generate secondary radicalsforcross-linking[43，45].benzophenone，camphorquinone ， andthioxanthone ） abstractthehydrogen from a co-initiator to generate secondary radicalsfor cross-linking [43 ， 45]. Although type I initiators areusually the first choice because of their superior initiationefficiency [39]，recently there been an increasing interests intype II initiators for visible-light-mediated polymerization（Table 1）.在第二类决策者中，他们通常是第一个选择的结果结果，最近在第二类决策者中，针对visible-light-mediatedpolymerization（Table 1）。与光介导的聚合用于细胞封装的使用相关的主concern是由photoinitiators生成的自由基的潜在的细胞毒性。在使用photopolymerization，free radicalscan react with cellular components（例如，自由基可以用细胞 组 件 来 实 现 ） [26 ， 46] 通 过 Either direct contact or theformationofreactiveoxygenspecies ， whichmaycompromise the posability of embedded cell，and even leadto DNA damage [26，46]（膜细胞、核酸或蛋白）[26，46]（可直接接触或形成反应性氧特异性，损害嵌入细胞的可能性）。严重photoinitiators在第一次人体内的细胞毒性效应Cell和Cell-lines在文献中是完整的，而strongly则取决于photoinitiator 类 型 和 集 中 ， exposure time ， and lightintensity [26，46-49]。Irgacure 2959（1-[2-hydroxyethoxy]-phenyl]-2-methyl-1- propane-1-one ） 是 最 常 见 的 使 用photoinitiator，供应适度的水溶液和低毒性。However，itslow molar extinction coefficient in the UV-A spectralrange ， and its low initiation efficiency ， boosted theresearch on alternative photoinitiators exhibiting enhancedbiocompatibility and/or efficiency，such as2.研究人员集中在 制 定 photopolymerizable systems 容 器 可 见 光 敏 感photoinitiators（例如，camphorquinone，riboflavin，andEosin-Y），为了减轻潜在的删除紫外线光在封装细胞[43，53]rious effects of UV light on the encapsulated cell [43，53].2.3 Designing advanced biomaterials for light-mediatedreactions水前体的设计for light-mediated reac- tions，including photopolymerization，photodegradation，andphotopatterning，involves the consideration of a plethora of一个多动时间的考虑3D打印评论Research094EngineeringVolume 1·Issue 1·March 2015www.engineering.org.cnTable 1。用于照片制造的最常见的照片初始化器的摘要和多分子系统的示例使用于细胞封装。Photoinitiator摄影师Photopolymerizable系统参考资料姓名Type化学结构Photopolymerization反应Irradiation条件氢前驱体封装式细胞Cell可能性UV光（360-480nm），6.9 MW。cmGelatinMethacrylate，0.5%（w/v）I2959NIH 3 T3成纤维母细胞（5 × 10 6个细胞。mL75%-encapsul
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