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4D打印技术的名义,或将引燃生物医疗领域

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-12-26浏览次数:1777

凭借丰富的印刷材料和更大规模的印刷品分辨率,3D打印技术正变得越来越成熟。如今,3D打印已经大大改变了人们的生活,这已经为人们所熟知和应用。然而,使用传统的3D打印技术将具有“形状记忆”特性的聚合物纤维结合到复合材料中,制造的产品被赋予另一种形状,但它们是不可移动的,并且如果没有人为干预,它们将始终保持原样。即它只考虑打印对象的初始状态,并假设打印对象是静态和无生命的。 4D打印技术就像一场“星火”,很快就会成为“原创”!

所谓的“4D打印技术”,即传统的“3D打印技术”增加了“时间”变量,它不仅包含长度,宽度和高度的3D尺寸,而且还增加了时间尺寸以便打印对象可以随时间变化。自我调整形态结构中的智能,最后自动满足预设计要求。通过这种方式,技术人员可以将其引入更多的现场应用中。

一。 4D打印技术在生物医学领域的应用

4D印刷技术材料响应于生物相容性材料,其可以根据外部刺激(包括温度,水,磁场等)重塑形状,以产生类似于肝脏和心脏的更复杂的天然组织结构。因此,4D打印技术将对功能组织或器官的生物打印作出重大贡献。

1.组织工程

随着4D生物印刷技术的快速发展,有望实现体外仿生血管的构建。例如,自折叠聚合物可以通过包封不同类型的细胞来制备,并且可以在水中形成多层管状结构。另一种方法是通过细胞在4D生物打印中自组织的能力来产生血管。由于血管生成是组织工程中的关键,并且对血管的需求很大,因此实现仿生血管的体外构建将极大地改善当前的血管困境并使大多数患者受益。

此外,4D生物打印技术也可用于打印诸如骨骼的硬组织。首先,印刷具有网格图案的聚合物骨,并将源自上鼻甲组织和下鼻甲组织的间充质干细胞施用于骨以进行移植。在短暂的孵育期后,印刷的骨组织移植物变得成熟。对体外和体内无细胞移植物的研究已发现改善的骨诱导和骨传导性质。然而,移植的骨骼不具有天然骨骼的机械强度。需要进一步努力来增加这些印刷骨组织的强度。

2.药物输送

4D生物打印技术精确控制不同组分的空间分布,以可编程方式释放或包封药物和细胞。

一般而言,4D生物印刷技术是为3D打印添加“时间”的第四维度。它主要以两种方式实施,一种基于材料变形,另一种基于组织工程结构的成熟。 4D生物印刷技术在获取组织功能结构,刺激引起的结构变形,控制药物释放等方面取得了进展,但仍处于起步阶段,还有许多亟待解决的问题。

二。 4D打印技术面临的问题

首先,可用于打印的响应材料是有限的。大多数材料仅反映在一个刺激中。然而,在人类中,复杂的微环境由多个系统维持以维持稳定性,例如神经调节,流体调节和自我调节。因此,能够响应各种生理信号的自变形印刷材料对于4D生物打印技术的医学应用是非常有利的。除了发现新材料之外,未来的研究方向是使现有的响应材料得以印刷并同时解决生物排斥问题。

其次,4D生物打印技术的现有结构变形仅仅是变形,例如折叠,展开,自组织等。主要是因为这些变形发生在宏观尺度上,这限制了对印刷物体演变的精确控制。

三。 4D打印技术产品前景广阔。

无论是德国工业4.0,美国工业互联网,还是“中国制造2025”,无论采用哪种工业生产模式,在工业生产过程中,都需要大量的装配成本,并在工艺中引入4D印刷工业生产。可以消除组装成本,从而大大降低产品的生产成本。

4D打印技术可以根据用户的需求生产出客户需要的产品,满足用户的个性化需求,实现个性化定制,使企业也可以根据客户的需求实时制造,无需原始物资囤积,企业也不必担心资金链融化的问题,并减轻资本运作的压力。

未来的任务之一是通过调整外部刺激来精确控制微观事物,如4D生物打印方向,功能,形状等。提高打印分辨率可能是实现精确控制失真的一种解决方案,我们应该投入更多精力研究敏感的生物材料,以提高打印分辨率。基于细胞成熟的4D生物打印技术,如果您可以控制细胞排列,您可以更好地模拟体内组织。例如,血管通常包括三层:内皮细胞,平滑肌细胞和成纤维细胞。使用4D技术,如果可以控制细胞定位(尤其是平滑肌细胞的方向),则可以使结构功能化,使得印刷材料更像人体。简而言之,4D生物打印技术为生物工程开辟了一扇新的大门,作为解决组织工程和药物输送问题的新工具。