本书为“生物材料科学与工程丛书”之一。生物材料的三维打印，可对细胞、生物材料、生长因子等进行空间精确定位组装，在构建个性化医疗器械、组织工程、药物测试、病理模型和器官芯片等领域具有广阔的应用前景。本书先概述生物材料先进制造的三维打印技术及其在大健康领域的应用，聚焦再生医学中硬、软组织和仿生植入体的三维打印，以及体外肿瘤模型、药物检测模型和微器官芯片的打印构建，从工艺、材料、制造和应用等方面做综合阐述，介绍打印工艺设计、结构形成、细胞损伤控制等机理和生物学基础应用方面的系统研究。
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总序
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 生物材料3D打印技术简介 1
1.2.1 3D打印技术的基本概念与原理 1
1.2.2 用于3D打印的生物材料简介 2
1.2.3 典型的生物材料3D打印技术简介 6
1.3 生物材料3D打印技术发展现状 9
1.3.1 没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 直接细胞打印 11
1.3.5 构建类器官、微生理系统和体外生命系统工程 11
1.4 生物材料3D打印技术应用现状 11
1.4.1 组织工程与再生医学应用 12
1.4.2 药物检测应用 13
1.4.3 病理模型及疾病研究应用 13
1.5 生物材料3D打印前景与挑战 14
1.5.1 生物材料3D打印的前景 14
1.5.2 生物材料3D打印的挑战 16
参考文献 18
第2章 低温沉积3D打印技术及其在骨和软骨组织工程中的应用 22
2.1 引言 22
2.2 骨、软骨支架的材料与结构设计 23
2.2.1 常用的支架材料 23
2.2.2 支架的材料结构设计 24
2.3 低温沉积制造工艺原理及打印设备 26
2.3.1 低温沉积制造工艺原理 26
2.3.2 低温沉积3D打印设备 30
2.4 低温沉积3D打印技术应用：骨与软骨组织工程 37
2.4.1 修复大段骨缺损 37
2.4.2 梯度支架修复骨软骨缺损 39
2.5 低温沉积3D打印的拓展：仿生骨软骨支架 41
2.5.1 仿生骨软骨支架设计 41
2.5.2 仿生骨软骨支架制备 42
2.5.3 仿生骨软骨支架修复动物关节缺损 43
2.6 总结与展望 45
参考文献 46
第3章 微挤出式细胞3D打印技术及应用 49
3.1 引言 49
3.2 微挤出式细胞3D打印技术及生物墨水概述 49
3.2.1 微挤出式细胞3D打印技术 49
3.2.2 微挤出式细胞3D打印生物墨水 50
3.3 微挤出式细胞3D打印的共性技术问题 51
3.3.1 微挤出式细胞3D打印的技术共性特征 51
3.3.2 微挤出式细胞3D打印的技术共性要求 52
3.3.3 微挤出式细胞3D打印的通用性技术策略 55
3.4 典型微挤出式细胞3D打印工艺介绍：温敏生物墨水的打印 56
3.4.1 温敏生物墨水的制备与表征 56
3.4.2 工艺过程设计 60
3.4.3 结构成形性及工艺参数对结构成形性影响 61
3.4.4 生物相容性、工艺参数及剪切力对细胞存活率的影响 66
3.4.5 工艺参数、结构成形性与细胞存活率的耦合 69
3.5 微挤出式细胞3D打印微环境中基本生物学表征 71
3.5.1 微挤出式细胞3D打印细胞活性表征 71
3.5.2 微挤出式细胞3D打印细胞增殖表征 74
3.6 微挤出式细胞3D打印技术应用：胚胎干细胞及多能干细胞3D打印 75
3.6.1 胚胎干细胞及多能干细胞简介 75
3.6.2 打印后拟胚体的形成规律及形态 76
3.6.3 拟胚体的形态定量表征 79
3.6.4 拟胚体的“全能性”保持 81
3.6.5 拟胚体形成方法的比较 82
3.7 总结与展望 85
3.7.1 通用化的解决方案 85
3.7.2 机器学习及智能化控制 86
3.7.3 生物4D打印 86
参考文献 86
第4章 喷墨式细胞3D打印技术及其在皮肤打印中的应用 89
4.1 喷墨打印技术的发展历史 89
4.2 喷墨式细胞打印技术介绍 90
4.2.1 喷墨式细胞打印工作原理 90
4.2.2 喷墨式细胞3D打印工艺 94
4.2.3 喷墨式细胞打印设备 96
4.3 喷墨式细胞3D打印墨水 97
4.3.1 胶原 98
4.3.2 明胶 98
4.3.3 海藻酸钠 99
4.3.4 纤维蛋白原 100
4.3.5 聚乙二醇 100
4.4 喷墨式细胞3D打印的特点与优势 101
4.5 喷墨打印对细胞功能的影响 103
4.6 喷墨式细胞3D打印技术应用：组织工程皮肤打印 106
4.6.1 组织工程皮肤背景 106
4.6.2 喷墨打印构建人工皮肤 107
4.6.3 展望 114
4.7 总结与展望 115
参考文献 117
第5章 熔融微挤压3D打印技术及其在合成高分子材料3D打印中的应用 120
5.1 引言 120
5.2 熔融微挤压打印技术 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选取 126
5.3.2 脂肪族聚酯类高分子生物材料 127
5.4 3D打印合成高分子生物材料应用：骨组织工程支架打印 128
5.4.1 组织工程支架制备 128
5.4.2 支架结构表征 131
5.4.3 复合支架打印 132
5.4.4 支架表面改性 133
5.4.5 支架生物学评价 135
5.5 3D打印合成高分子生物材料应用：可降解心血管支架打印 138
5.5.1 心血管支架设计 139
5.5.2 心血管支架制备 141
5.5.3 心血管支架表征 143
5.6 总结与展望 148
参考文献 150
第6章 生物3D打印微纳米纤维及其在角膜组织工程中的应用 153
6.1 引言 153
6.2 生物3D打印微纳米纤维技术简介 154
6.2.1 挤出式3D打印成丝制备技术 154
6.2.2 微流控纺丝 155
6.2.3 静电纺丝 156
6.2.4 近场静电纺丝 157
6.3 生物3D打印微纳米纤维眼角膜支架模型 160
6.3.1 构建角膜组织材料选择 160
6.3.2 角膜的3D打印构建技术 161
6.3.3 角膜的3D打印模型的物理及结构表征 163
6.4 打印角膜支架应用：诱导角膜组织再生 167
6.4.1 拓扑结构及化学因子对角膜基质细胞表型维持的影响 167
6.4.2 大鼠基质内板层移植及评估 170
6.5 总结与展望 172
6.5.1 总结 172
6.5.2 展望 173
参考文献 174
第7章 生物3D打印构建血管化心肌组织结构及应用 178
7.1 引言 178
7.2 3D打印心肌组织技术进展 181
7.2.1 微挤出式打印在心肌组织构建的应用 181
7.2.2 悬浮打印在心肌组织构建的应用 182
7.3 血管化心肌组织的打印 185
7.3.1 仿生结构心肌支架设计 185
7.3.2 心肌支架成形的技术方案 187
7.3.3 牺牲模的材料筛选与3D打印制备 188
7.3.4 仿生心肌支架的成形与参数优化 193
7.3.5 仿生心肌支架的结构形态学表征 195
7.3.6 细胞种植与心肌支架的生物功能评价 198
7.4 总结与展望 202
参考文献 204
第8章 生物3D打印构建体外类肿瘤模型及其应用 207
8.1 三维肿瘤模型发展趋势 207
8.2 肿瘤细胞打印工艺技术介绍 211
8.2.1 引言 211
8.2.2 明胶基温敏水凝胶材料流变性能 212
8.2.3 明胶基温敏水凝胶材料流变特性与细胞存活率的关系 217
8.2.4 明胶基温敏水凝胶材料流变特性与打印成形性的关系 222
8.2.5 小结 225
8.3 生物3D打印体外类肿瘤模型的构建 226
8.3.1 引言 226
8.3.2 生物3D打印技术构建A549类肺肿瘤模型 227
8.3.3 生物3D打印技术构建HeLa类宫颈癌肿瘤模型 230
8.3.4 小结 239
8.4 生物3D打印体外类肿瘤模型的应用：上皮-间质转化特性研究 239
8.4.1 引言 239
8.4.2 3D打印宫颈癌模型及其细胞活性与增殖性评价 241
8.4.3 TGF-β诱导3D宫颈癌模型的EMT过程 242
8.4.4 EMT相关标志物的检测与评价 243
8.4.5 TGF-β阻断剂用于抑制EMT过程 246
8.4.6 小结 247
参考文献 248
第9章 生物3D打印构建体外个性化肿瘤模型及其在抗癌药物检测中的应用 252
9.1 引言 252
9.2 个性化肿瘤模型的生物3D打印工艺技术 257
9.2.1 打印技术及生物材料的选择 257
9.2.2 结构设计及细胞的选择 260
9.3 个性化肿瘤模型的3D打印构建及其生物学特性评价 262
9.3.1 存活率及增殖能力评价 263
9.3.2 肿瘤恶性程度、干性、纤维化指标、入侵及迁移能力评估 264
9.3.3 基因组测序评价 268
9.4 个性化肿瘤模型在药物检测方面的应用 270
9.5 挑战和发展 271
9.5.1 细胞来源的局限性和新材料的应用 271
9.5.2 精准控制和长期培养：自愈性凝胶基底打印和血管化肿瘤模型 272
9.5.3 器官级别的药物反应：3D打印微流控肿瘤模型 273
9.6 总结与展望 275
参考文献 275
第10章 生物3D打印构建异质细胞和异质肿瘤模型及应用 281
10.1 引言 281
10.2 异质性与体外异质细胞模型 281
10.2.1 细胞异质性 282
10.2.2 微环境异质性 282
10.2.3 肿瘤异质性 282
10.2.4 体外异质细胞模型的常规构建技术 283
10.3 体外异质细胞模型的生物3D打印构建Ⅰ：构建技术 288
10.3.1 生物3D打印技术 288
10.3.2 异质细胞打印技术的系统搭建和工艺开发 289
10.4 体外异质细胞模型的生物3D打印构建Ⅱ：体外肿瘤模型构建应用 295
10.4.1 异质肿瘤模型的设计 295
10.4.2 异质肿瘤模型的分步构建工艺 296
10.4.3 异质肿瘤模型的一步构建工艺 297
10.5 体外异质细胞模型应用、材料选择及影响 299
10.5.1 异质细胞模型的应用 299
10.5.2 异质细胞模型的材料选择及影响 300
10.6 总结与展望 301
参考文献 302
第11章 hiPSC细胞3D打印及扩增 308
11.1 引言 308
11.2 hiPSC 3D打印工艺简介 309
11.2.1 hiPSC细胞培养 310
11.2.2 羟丙基甲壳素墨水材料的制备及性能表征 311
11.2.3 hiPSC打印工艺参数的选择 314
11.2.4 墨水组分对hiPSC打印成活率的影响 320
11.2.5 小结 321
11.3 应用：基于细胞打印的hiPSC规模化扩增与团簇形成研究 322
11.3.1 引言 322
11.3.2 hiPSC规模化扩增与团簇形成实验设计与实验方法 323
11.3.3 不同hiPSC培养体系的扩增效果评价 324
11.3.4 hiPSC在三维打印培养过程中的团簇形成机制及尺寸表征 327
11.3.5 hiPSC的多能性保持 334
11.3.6 小结 335
参考文献 336
第12章 3D打印构建载药支架技术及应用 338
12.1 引言 338
12.1.1 基于支架的药物缓释研究背景 338
12.1.2 基于支架的药物缓释原理与药物负载方式 339
12.1.3 载药支架模型的应用 344
12.2 载药支架模型的3D打印构建技术 346
12.3 宫颈修复体载抗HPV蛋白支架的3D打印构建及应用 348
12.3.1 背景介绍 348
12.3.2 材料筛选 349
12.3.3 宫颈修复体的仿生设计、蛋白加载及蛋白缓释模型 350
12.3.4 仿生宫颈修复体的3D打印构建 351
12.3.5 3D打印仿生宫颈修复体的性能表征 351
12.3.6 抗病毒蛋白的加载与释放 356
12.3.7 讨论及总结 358
12.4 总结与展望 360
12.4.1 总结 360
12.4.2 展望 361
参考文献 362
第13章 3D打印与微器官芯片集成制造技术介绍 368
13.1 引言 368
13.2 3D打印在微器官芯片构建中的应用 370
13.2.1 3D打印构建微流控装置 370
13.2.2 3D打印构建芯片内生物组织 373
13.2.3 3D打印构建一体化的微器官芯片 375
13.3 用于微器官芯片构建的3D打印技术和材料 376
13.3.1 用于3D打印微流控装置的3D打印方法和材料 376
13.3.2 器官芯片中的生物3D打印方法和生物材料 378
13.4 3D打印微器官芯片中新的技术、方法和材料的发展 381
13.5 讨论与总结 386
参考文献 388
第14章 细胞打印共性问题：打印过程造成的细胞损伤及分析 394
14.1 引言 394
14.2 打印过程的流体力学基本理论分析 395
14.2.1 细胞打印系统简介 395
14.2.2 挤出过程的流量计算 395
14.2.3 挤出过程中剪切力的计算 397
14.3 剪切力对细胞影响的理论分析 398
14.3.1 基于打印参数的经验公式建立 398
14.3.2 作用于细胞的剪切力与细胞存活率的关系 402
14.3.3 细胞损伤多尺度有限元分析 404
14.4 对由打印引起细胞损伤的生物学表征 408
14.4.1 细胞活性 408
14.4.2 细胞恢复行为 409
14.4.3 细胞种类的影响 411
14.5 小结 413
参考文献 414
关键词索引 416
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