生物打印技术在精准医学领域研究应用现状的中(4)
图 2 |生物3D 打印技术2015 至2020 年ISI Web of Science 发文数量排名前10 位的国家Figure 2 |Top 10 countries in the number of publications of articles concerning biological three-dimensional printing technology from 2015 to 2020 in ISI Web of Science
图 3 |生物3D 打印技术2015 至2020 年国家/地区科研合作网络Figure 3 |Scientific research cooperation network of countries/regions in articles concerning biological three-dimensional printing technology from 2015 to 2020
图 4 |生物3D 打印技术2015 至2020 年ISI Web of Science 发文数量排名前10 位的研究机构Figure 4 |Top 10 institutes in the number of publications of articles concerning biological three-dimensional printing technology from 2015 to 2020 in ISI Web of Science
图 5 |生物3D 打印技术2015 至2020 年大学/研究机构合作网络Figure 5 |Cooperation network of universities/institutes in articles concerning biological three-dimensional printing technology from 2015 to 2020
图 6 |生物3D 打印在精准医学领域的关键词分布(基于ISI Web of Science 英文文献数据)Figure 6 |Keyword distribution of biological three-dimensional printing in the field of precision medicine (based on ISI Web of Science English literature data)
图 7 |生物3D 打印在精准医学领域的关键词分布(基于万方数据库)Figure 7 |Keyword distribution of biological three-dimensional printing in the field of precision medicine (based on Wanfang database)
3.1 生物墨水(Bioinks) 精准医学领域中个体化植入物、器官和组织的需求不断增长,需要先进的生物材料来制造出可模拟复杂的细胞外基质的生物结构,而具有适合生物活性打印材料的匮乏成为了制约生物3D 打印技术在精准医学领域应用的主要瓶颈。迄今,生物材料经过惰性材料、生物活性修饰的生物相容性材料、可实现组织修复或再生的仿生材料这3 个层次的发展,其关键核心问题定位为研发具有合适理化性能的生物墨水。目前,常使用的生物墨水包括天然水凝胶、细胞聚集物、微载体和脱细胞基质等,这些成分可用于挤压式、液滴式和激光生物3D 打印工艺,但通常黏度低、机械强度较差,不适合制造植入物和组织构建[7,23-24]。合成材料如聚乙二醇、聚乳酸、聚己内酯等的机械性能更好,但是缺乏可使细胞吸附和迁移的生物活性因子[3,25-26],其生物相容性不如天然材料。由于生物墨水不仅要为细胞提供生长环境还要有物理支撑,需要其具备高度的生物相容性、良好的可打印性、形状保真度、可生物降解性、能模拟特定微环境和具有细胞活性,研究开发同时具有天然材料生物相容性和合成材料机械性能的生物墨水是一项重大挑战。
3.2 微流控(Microfluidics) 微流控也称为芯片实验室(Lab-on-a-Chip),通过精确控制微观尺度流体把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米级的芯片上,并自动完成分析全过程。通过高频关键词分析研判提取到的相关研究主要是基于微流控技术来模仿人体器官的复杂结构、微环境、生理功能等关键特性以构建生物模拟系统,作为生物反应器形成微组织,被称为“器官芯片”(Organs-on-Chips)[27-30]。目前,绝大多数微流控系统都是用软光刻技术在聚二甲基硅氧烷上构建的[31],3D 打印技术在该方向上的应用极大地改进了以往2D 条件下的测试环境,可以通过自动化和快速成型技术更逼真地构建出具有人体组织或器官关键生理特征的微组织系统,从而更精准地模拟人体中的药物代谢过程和毒性反应。最终目标是构建更复杂的器官芯片及人体芯片(相互连接的器官芯片)用于药物筛选,从而更加精准地预测临床试验中药物效率和安全性,缩短药物研发时间和降低成本。由于需要模拟不同组织之间的动态相互作用,因此利用具有不同组织特异性的生物墨水构建同时具有多种细胞类型和功能的异质结构是研究难点。目前研究主要集中在结合运用多种3D 打印技术以及通过多种材料(多细胞类型)来实现高分辨率甚至单细胞分辨率的复杂组织构造[29,32],如多头打印系统、同轴喷嘴和微流体增强打印喷嘴等[33-34]。
3.3 矫形外科 矫形外科在引入生物3D 打印技术后彻底改变了肌肉骨骼系统治疗中传统植入物的制造方式和工具,并且将3D 打印构建的生物模型快速推广应用到术前设计、手术模拟、手术指导和手术效果评估等领域[35-36],在提高临床治疗的精准性方面十分有前景[37]。以往主要依靠影像学评估的术前设计不能在手术中帮助再次定位,现在外科医生可通过3D 打印模型进行精准的术前设计[36,38]。利用多种材料根据特定患者设计和制造定制化的植入物,如各种替换关节、人工骨、手术导板和螺钉等[35,39-46],可实现个体化治疗方案从而让患者更好地适应矫形干预和尽快恢复正常生活。生物3D 打印技术能够通过计算机精准设计并控制人工骨修复材料的组分分布和形态结构,如三维多孔植入物的孔径、孔结构和孔的贯穿性,这是影响体内细胞与植入物的整合能力的关键因素,从而可显著提高植入物的稳定性和手术成功率[47-49]。基于高频关键词分析还可以发现口腔医学和颌面矫形是近年来备受关注的领域,由于每个人的牙齿外形存在个体差异性,快速定制与缺损或缺失牙齿精准匹配的修复体是主要的研究方向之一[50-51],而颌面修复的具体应用包括颅颌面模型、颌骨手术导板、个性化植入物等[52-53]。
文章来源:《精准医学杂志》 网址: http://www.jzyxzz.cn/qikandaodu/2021/0715/671.html