近年來，由于材料科學和制造技術的創新，3D打印已受到了廣泛的關注[1]，而生物材料和生物學方面的創新使得3D打印技術得以應用于體外構建復雜組織/器官的生物增材制造領域[2]。當前的生物增材制造技術可大致分為基于噴墨的生物打印，基于微絲擠出的生物打印，基于數字光處理 (DLP) 的生物打印，電場輔助的生物打印，以及熔融沉積制造 (FDM) 等（圖1）[3,4]。盡管增材制造技術在不斷進步 [5,6,7]，但其現階段的可靠性和產品的功能性尚不夠完善，生物增材制造在應用端仍面臨巨大的挑戰[8]。
眾所周知，生物力學、流體力學、流變學、相變理論等物理學知識在打印過程中起著至關重要的作用，為實驗設計和打印結果的預測提供指導[9]。然而，生物增材制造過程中的許多基礎物理問題仍然缺乏深入的探索和理解[10,11]。例如，噴墨打印過程中液滴和基底的碰撞[12]，DLP打印過程中未固化的光交聯生物墨水對成型結構穩定性的影響[13]及電場輔助的打印過程中的電場力及粘性力的平衡[14]等。盡管這些現象已經被廣泛報道和研究，但是仍然未能清晰闡釋這些現象背后的物理機制。此外，除了打印結構的形狀保真度，細胞存活率也是3D生物打印的另一重要參考指標[15]，因為細胞的活性反映了細胞在打印過程中和打印后面臨的環境[16,17]。盡管已有報道稱，在包含噴頭的生物3D打印過程中，剪切應力是造成細胞損傷的主要原因；而在基于光固化的生物3D打印過程中，大多數的細胞損傷源于紫外光輻射[18]；目前尚未總結出對于不同生物增材制造工藝通用的細胞損傷標準。雖然已有研究者將物理/機器學習等模型用于分析/預測打印過程中造成的細胞損傷 [19,20]，但仍然缺乏描述整個生物3D打印過程中的細胞損傷的物理模型。
綜上所述，深入理解各種生物增材制造技術中所涉及的物理學將有助于研究人員更好地理解整個制造過程，并優化打印平臺及相關工藝參數。因此，探索增材制造過程中涉及到的物理問題將有利于增材制造技術的發展，并彌補現有打印結構和臨床轉化之間的差距[21]。
為了進一步闡述物理學在生物增材制造過程中的重要性，本雜志組織了名為“生物或仿生增材制造中的物理問題”的主題特刊。在這期特刊中，我們收集到了6篇研究性文章，集中討論了不同生物增材制造技術中的成形機制及設計原理。Yang等[22]研究了激光粉末床熔融打印 (LPBF) 過程中激光功率和掃描速度對打印結構的表面質量、致密性及表面紋理的影響。通過優化激光功率和掃描速度，可以避免因能量在基體中的過度儲存與積累而造成的熱脹冷縮。此項研究為LPBF工藝用于加工生物降解結構提供了科學依據。Valentin等[23]提出了一種創新的鈦-6-鋁-4-釩加工方法，通過直寫打印輔以后期熱處理的方式形成了具有微小孔隙的多孔形態的結構。通過在海藻鹽中引入肽接枝和纖維蛋白，Qiu等[24]開發了可用于高分辨率電流體力學 (EHD) 生物3D打印的海藻酸鹽基生物墨水。此打印工藝的成絲精度可達到30 μm，并可以對細胞生長進行定向引導，為細胞的生存和擴散提供理想的環境。Liu等[25]合成了可用于微絲擠出打印的一種基于殼聚糖/明膠和蛋清的復合水凝膠，并發現三聚磷酸酯 (TPP) 可最大限度地提高支架的物理和生物性能，顯示了此工藝在組織工程領域的巨大潛力。Huo等[26]利用雙極溫控系統提高了單溫控FDM的打印精度，并通過實驗和理論分析探討雙溫控系統對聚合物墨水流變性的影響，進而為提高熱熔性聚合物的FDM打印精度提供了新思路。受kirigami藝術的啟發，Yue等[27]通過優化設計幾何參數，打印了具有不同機械性能的二維片材，并由二維片材組合形成具有良好的形狀記憶能力和可編程性的三維結構，顯示了在智能負載方面的巨大潛力。
文章專輯目錄
1. Physics problems in bio or bioinspired additive manufacturing
生物或仿生增材制造中的物理問題
Jun Yin, Jin Qian, Yong Huang
2. Laser additive manufacturing of zinc: formation quality, texture, and cell behavior
鋅的激光增材制造：成形質量，紋理及細胞行為
Mingli Yang, Liuyimei Yang, Shuping Peng, Fang Deng, Yageng Li, Youwen Yang, Cijun Shuai
3. Direct ink writing to fabricate porous acetabular cups from titanium alloy
利用鈦合金直寫打印制造多孔髖臼杯
Naima Valentin, Weijian Hua, Ashish K. Kasar, Lily Raymond, Pradeep L. Menezes, Yifei Jin
4. Functional alginate-based bioinks for multiscale eletrohydrodynamic bioprinting of living tissue constructs with improved cellular spreading and alignment
利用多尺度電流體生物3D打印制備功能性海藻酸基的活體組織，并提升細胞的擴散和排列
Zhennan Qiu, Hui Zhu, Yutao Wang, Ayiguli Kasimu, Dichen Li, Jiankang He
5. Evaluation of different crosslinking methods in altering the properties of extrusion printed chitosan-based multi-material hydrogel composites
不同交聯方式對擠出打印的殼聚糖復合水凝膠材料性能的評價
Suihong Liu, Haiguang Zhang, Tilman Ahlfeld, David Kilian, Yakui Liu, Michael Gelinsky, Qingxi Hu
6. Numerical simulation and printability analysis of fused deposition modeling with dual temperature control
雙極溫控的熔融沉積打印的數值模擬和可打印性分析
Xiaodan Huo, Bin Zhang, Qianglong Han, Yong Huang, Jun Yin
7. Shape recovery properties and load-carrying capacity of a 4D printed thick-walled kirigami inspired honeycomb structure
基于kirigami的4D打印厚壁蜂窩結構的形狀恢復特性和承載能力
Chengbin Yue, Wei Zhao, Fengfeng Li, Liwu Liu, Yanju Liu, Jinsong Leng
引用本文
Yin J, Qian J, Huang Y, 2023. Physics problems in bio or bioinspired additive manufacturing. Bio-des Manuf, 6(2):99-102. https://doi.org/10.1007/s42242-023-00234-6
專輯目錄鏈接
https://link.springer.com/journal/42242/volumes-and-issues/6-2
13206432890
高經理
