生物3D打印：从医疗辅具制造到细胞打印

本书是在“中国制造2025”“‘十三五’国家科技创新规划”及“国家增材制造产业发展推进计划”等背景下策划的“3D打印前沿技术丛书”中的一本。丛书由卢秉恒院士、王华明院士、聂祚仁院士等任丛书顾问，史玉升教授为丛书主编，多名3D打印领域专家共同研讨策划。本书入选湖北省学术著作出版专项资金资助，作者及团队在生物3D打印领域有着多年研究，详细介绍了3D打印的相关概况及研究成果，具有较好的学术价值及参考价值，可供行业相关人员参考。全书为精装彩色印刷。 

内容简介生物3D打印是将3D打印技术与生物医疗相结合所发展出的一个新兴研究领域。生物3D打印研究属于典型的医学、生物、机械、材料等领域的多学科深度交叉研究，需要相关学科研究人员介入并深度合作。目前国内从事生物3D打印研究的学者不是很多，也无这方面的专题著作，而这也制约了相关研究的快速发展，限制了这项技术的普及和更大规模的应用。本书在总结作者所在课题组近几年研究工作的基础上阐述了生物3D打印的相关方法及应用，以期为生物3D打印研究进一步深化应用、跨学科合作打下基础。全书共11章，围绕生物3D打印的四个层次，从医疗辅具、医疗植入物的打印，到可降解人工骨的制造，再到操纵细胞构造仿生三维组织来展开。第1章综述了生物3D打印的概况、研究现状及发展方向；第2章以动脉瘤模拟器为例介绍了生物3D打印在医疗辅具制造中的应用；第3章以个性假体为例介绍了生物3D打印在不可降解植入物制造中的应用；第4、5章以活性人工骨制造为例介绍了生物3D打印在可降解植入物制造中的应用；第6～11章重点介绍了狭义的生物3D打印,也就是细胞打印的研究进展，包括生物墨水的可打印性研究、基于微球和微丝的微组织构建、组织/营养通道同步构造的打印工艺、仿生跨尺度血管结构制造以及生物3D打印应用于器官芯片研究等内容。

 

目录

 

 

第1章生物3D打印:从形似到神似(1)

 

1.1生物3D打印概况(1)

 

1.2生物3D打印研究现状(4)

 

1.3生物3D打印/细胞打印的发展趋势(16)

 

1.4总结与展望(18)

 

本章参考文献(18)

 

第2章手术模拟器制造(26)

 

2.1引言(26)

 

2.2动脉瘤模拟器现状(27)

 

2.3动脉瘤模拟器制造(29)

 

2.4动脉瘤模拟器分析(30)

 

2.5本章小结(34)

 

本章参考文献(34)

 

第3章不可降解假体制造(39)

 

3.1引言(39)

 

3.2假体制造的研究现状(40)

 

3.3基于桌面3D打印机的快速模具制造(42)

 

3.4基于SPPC技术的仿生假体制造(46)

 

3.5本章小结(49)

 

本章参考文献(50)

 

第4章可降解骨植入物制造(54)

 

4.1引言(54)

 

4.2骨及骨修复材料(55)

 

4.3无机骨修复生物材料的发展历程(57)

 

4.4无机生物陶瓷材料(59)

 

4.5骨修复支架的制造技术(63)

 

4.6骨修复支架的研究现状(66)

 

4.7可降解骨修复支架的发展方向(69)

 

4.8本章小结(70)

 

本章参考文献(71)

 

第5章从形状定制到性能定制的可降解植入物制造(86)

 

5.1引言(86)

 

5.2多孔骨支架的制造(87)

 

5.3多孔骨支架的力学性能研究(89)

 

5.4多孔骨支架的降解性能研究(95)

 

5.5多孔骨支架的骨再生修复性能研究(100)

 

5.6个性化定制骨支架的骨再生修复性能研究(114)

 

5.7本章小结(118)

 

本章参考文献(118)

 

生物3D打印：从医疗辅具制造到细胞打印

目录

 

 

第6章生物墨水的可打印性研究(123)

 

6.1引言(123)

 

6.2海藻酸钠的流变性能和凝胶性能(124)

 

6.3喷墨式生物3D打印中的墨水可打印性研究(127)

 

6.4喷墨式生物3D打印中的微滴误差建模与补偿研究(135)

 

6.5挤出式生物3D打印中的墨水可打印性研究(141)

 

6.6本章小结(153)

 

本章参考文献(153)

 

第7章多尺度异质凝胶微球打印(155)

 

7.1引言(155)

 

7.2打印微喷头设计(156)

 

7.3基于螺旋成形的异质微球的打印过程研究(161)

 

7.4微球形态表征及细胞培养(174)

 

7.5内皮细胞体外血管化(182)

 

7.6本章小结(186)

 

本章参考文献(187)

 

第8章异形GelMA纤维打印(189)

 

8.1引言(189)

 

8.2GelMA纤维成形机理及控形制造工艺研究(190)

 

8.3基于GelMA纤维的细胞功能化研究(197)

 

8.4本章小结(199)

 

本章参考文献(200)

 

第9章组织/营养流道同步制造的生物3D打印(202)

 

9.1引言(202)

 

9.2组织/营养流道同步制造装置与工艺设计(203)

 

9.3中空凝胶纤维制造工艺及性能研究(207)

 

9.4流道网络制造工艺及性能研究(212)

 

9.5流道网络结构的细胞打印与培养(223)

 

9.6本章小结(226)

 

本章参考文献(226)

 

第10章跨尺度血管结构的生物3D打印(228)

 

10.1引言(228)

 

10.2跨尺度血管结构制造装置与工艺设计(229)

 

10.3跨尺度血管结构制造及性能表征(232)

 

10.4跨尺度血管结构的细胞打印与培养(239)

 

10.5跨尺度血管结构在组织工程中的应用(242)

 

10.6本章小结(245)

 

本章参考文献(246)

 

第11章器官芯片打印初探(249)

 

11.1引言(249)

 

11.2基于牺牲层工艺的微流控芯片制造(250)

 

11.3基于模块化快速组装的器官芯片制造(257)

 

11.4器官芯片打印(265)

 

11.5本章小结(267)

 

本章参考文献(267)

 

总序一

“中国制造2025”提出通过三个十年的“三步走”战略，使中国制造综合实力进入世界强国前列。近三十年来，3D打印（增材制造）技术是欧美日等高端工业产品开发、试制、定型的重要支撑技术，也是中国制造业创新、重点行业转型升级的重大共性需求技术。  新的增材原理、新材料的研发、设备创新、标准建设、工程应用，必然引起各国“产学研投”界的高度关注。

　　3D打印是一项集机械、计算机、数控、材料等多学科于一体的，新的数字化先进制造技术，应用该技术可以成形任意复杂结构。其制造材料涵盖了金属、非金属、陶瓷、复合材料和超材料等，并正在从3D打印向4D、5D打印方向发展，尺度上已实现8 m构件制造并向微纳制造发展，制造地点也由地表制造向星际、太空制造发展。这些进展促进了现代设计理念的变革，而智能技术的融入又会促成新的发展。3D打印应用领域非常广泛，在航空、航天、航海、潜海、交通装备、生物医疗、康复产业、文化创意、创新教育等领域都有非常诱人的前景。中国高度重视3D打印技术及其产业的发展，通过国家基金项目、攻关项目、研发计划项目支持3D打印技术的研发推广，经过二十多年培养了一批老中青结合、具有国际化视野的科研人才，国际合作广泛深入，国际交流硕果累累。作为“中国制造2025”的发展重点，3D打印在近几年取得了蓬勃发展，围绕重大需求形成了不同行业的示范应用。通过政策引导，在社会各界共同努力下，3D打印关键技术不断突破，装备性能显著提升，应用领域日益拓展，技术生态和产业体系初步形成；涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业，形成了若干产业集聚区，整个产业呈现快速发展局面。

　　华中科技大学出版社紧跟时代潮流，瞄准3D打印科学技术前沿，组织策划了本套“3D打印前沿技术丛书”，并且，其中多部将与爱思唯尔（Elsevier）出版社一起，向全球联合出版发行英文版。本套丛书内容聚焦前沿、关注应用、涉猎广泛，不同领域专家、学者从不同视野展示学术观点，实现了多学科交叉融合。本套丛书采用开放选题模式，聚焦3D打印技术前沿及其应用的多个领域，如航空航天、工艺装备、生物医疗、创新设计等领域。本套丛书不仅可以成为我国有关领域专家、学者学术交流与合作的平台，也是我国科技人员展示研究成果的国际平台。

　　近年来，中国高校设立了3D打印专业，高校师生、设备制造与应用的相关工程技术人员、科研工作者对3D打印的热情与日俱增。由于3D打印技术仅有三十多年的发展历程，该技术还有待于进一步提高。希望这套丛书能成为有关领域专家、学者、高校师生与工程技术人员之间的纽带，增强作者、编者与读者之间的联系，促进作者、读者在应用中凝练关键技术问题和科学问题，在解决问题的过程中，共同推动3D打印技术的发展。

　　我乐于为本套丛书作序，感谢为本套丛书做出贡献的作者和读者，感谢他们对本套丛书长期的支持与关注。

 

西安交通大学教授

中国工程院院士

卢秉恒

 

2018年11月

 

 

总序二

3D打印是一种采用数字驱动方式将材料逐层堆积成形的先进制造技术。它将传统的多维制造降为二维制造，突破了传统制造方法的约束和限制，能将不同材料自由制造成空心结构、多孔结构、网格结构及功能梯度结构等，从根本上改变了设计思路，即将面向工艺制造的传统设计变为面向性能优的设计。3D打印突破了传统制造技术对零部件材料、形状、尺度、功能等的制约，几乎可制造任意复杂的结构，可覆盖全彩色、异质、功能梯度材料，可跨越宏观、介观、微观、原子等多尺度，可整体成形甚至取消装配。

3D打印正在各行业中发挥作用，极大地拓展了产品的创意与创新空间，优化了产品的性能；大幅降低了产品的研发成本，缩短了研发周期，极大地增强了工艺实现能力。因此，3D打印未来将对各行业产生深远的影响。为此，“中国制造2025”、德国“工业4.0”、美国“增材制造路线图”，以及“欧洲增材制造战略”等都视3D打印为未来制造业发展战略的核心。

基于上述背景，华中科技大学出版社希望由我组织全国相关单位撰写“3D打印前沿技术丛书”。由于3D打印是一种集机械、计算机、数控和材料等于一体的新型先进制造技术，涉及学科众多，因此，为了确保丛书的质量和前沿性，特聘请卢秉恒、王华明、聂祚仁等院士作为顾问，聘请3D打印领域的著名专家作为编审委员会委员。

各单位相关专家经过近三年的辛勤努力，即将完成20余部3D打印相关学术著作的撰写工作，其中已有2部获得国家科学技术学术著作出版基金资助，多部将与爱思唯尔（Elsevier）联合出版英文版。

本丛书内容覆盖了3D打印的设计、软件、材料、工艺、装备及应用等全流程，集中反映了3D打印领域的新研究和应用成果，可作为学校、科研院所、企业等单位有关人员的参考书，也可作为研究生、本科生、高职高专生等的参考教材。

由于本丛书的撰写单位多、涉及学科广，是一个新尝试，因此疏漏和缺陷在所难免，殷切期望同行专家和读者批评与指正！

 

华中科技大学教授

史玉升

2018年11月

 

 

    前言

 

生物3D打印（3D bioprinting）是将3D打印技术与生物医疗相结合所发展出的一个新兴研究领域。生物3D打印有广义和狭义之分：广义上来说，直接为生物医疗领域服务的3D打印都可视为生物3D打印的范畴；而从狭义上来定义，我们通常将操纵含细胞生物墨水构造活性结构的过程称为生物3D打印。

从广义上来分，生物3D打印可划分为四个层次。第1层次为制造无生物相容性要求的制品，比如目前应用很广泛的3D打印手术规划产品、手术导板等；第二层次为制造有生物相容性要求的不可降解的制品，比如钛合金关节、缺损修复的硅胶假体等；第三层次为制造有生物相容性要求的可降解的制品，比如活性陶瓷骨、可降解的血管支架等；第四层次就是狭义生物3D打印，即操纵活细胞构建仿生三维组织，比如打印药物筛选及病变机理研究用的细胞模型、肝单元、皮肤、血管等。操纵细胞的生物3D打印过程也可称为细胞打印（cell printing）或器官打印（organ printing）。围绕生物3D打印，作者所在的课题组对手术模拟器、假体、可降解人工骨、细胞打印等制造中的一些核心问题开展了相关的研究，做了一些初步的探讨。

生物3D打印研究属于典型的医学、生物、机械、材料等领域的多学科深度交叉研究，需要相关学科研究人员介入并深度合作。而目前国内从事生物3D打印研究的学者还不是很多，这也制约了相关研究的快速发展。本书在总结过去研究工作的基础上阐述了生物3D打印的相关方法及应用，以期为生物3D打印研究进一步的深化应用、跨学科合作打下基础。全书共11章。第1、2、6、7、11章由贺永撰写，第3、4、5章由傅建中撰写，第8、9、10章由高庆撰写，全书后由贺永统稿。

第1章介绍了生物3D打印的概念及发展过程，重点围绕细胞打印阐述了其新进展及后续的发展方向。

第2章围绕生物3D打印的第1个层次——医疗辅具制造展开，以动脉瘤模拟器为例，作者所在课题组（以下简称课题组）借助3D打印技术开发了一种新型的脑动脉瘤模拟器，能够还原出脑动脉瘤的出现过程，整个模拟器可借助桌面3D打印机实现低成本制造。

第3章围绕生物3D打印的第二个层次——不可降解植入物制造展开，以颌面缺损修复用假体制造为例，课题组通过将打印与硅胶浇注造型技术相结合，实现了柔性假体的低成本快速个性化制造。

 

第4、5章围绕生物3D打印的第三个层次——可降解植入物制造展开，以活性人工骨制造为例，理想的骨植入物需要满足孔隙率可控、孔道结构贯通、外形与骨缺损区域相匹配、力学性能与自然骨接近、降解速度与新生骨长入速度一致等要求。课题组通过活性生物陶瓷墨水的调配、打印工艺优化、烧结工艺探索、动物实验等系统的探索展示了生物3D打印在骨修复中的巨大应用前景。为系统解决从结构到力学强度再到降解性能的可控制造，课题组以打印高力学强度、可控降解、高骨再生能力的骨支架为主线逐级深入，提出了从单纯的几何外形定制到性能定制（力学强度、降解性能及降解速度、骨再生性能的定制）的研究思路。

第6~11章围绕细胞打印展开。考虑到这一研究领域兴起不久，为了便于研究人员的理解，首先对细胞打印的基础知识及设备做了介绍。第6章以海藻酸盐体系的生物墨水为例，探究了喷墨式打印及挤出式打印中生物墨水的可打印性；揭示了速度诱导及离子交联浓度诱导下凝胶微球的形态变化；系统地研究了挤出式生物3D打印中工艺参数对凝胶点、线、三维结构成形的影响；相关研究为复杂组织结构打印奠定了基础。第7章重点探讨基于微球的微组织构建方法，课题组发展了异质微球的3D打印新思路，可实现多细胞、高分辨率微球的制造。第8章则重点探讨基于凝胶微丝的微组织构建，课题组制备出了纯GelMA异形结构的核壳形凝胶纤维，解决了非黏性光交联生物水凝胶（GelMA）可打印性难题。第9章提出了组织/营养流道同步制造的生物打印新工艺，该方法通过控制海藻酸钠和氯化钙的交联时序让相邻的中空凝胶纤维融合，实现凝胶组织结构和内部流道网络的同时成形。该方法能在打印组织结构的同时打印出内部的营养输送通道，使得大尺寸器官3D打印成为可能，还可直接应用于制造器官芯片、凝胶基微流控芯片、药物筛选芯片等。第10章将组织/营养流道同步制造的生物3D打印方法应用于血管结构的打印，提出了一种具有宏微跨尺度流道的血管结构及其制造方法，其中宏观流道可用于各种机械力的加载，微观流道可用于营养输送以及化学物质的加载，这种结构可集成在器官芯片上用于更好地模拟真实血管的体内环境。第11章将生物3D打印与器官芯片相结合，课题组将打印与叠层组装相结合，可实现在芯片上集成支架、打印细胞等，为后续基于芯片平台探究疾病机理及进行药物筛选奠定了基础。

本书回顾了现今生物3D打印研究的进展，特别是作者所在课题组的进展。考虑到生物3D打印涵盖的领域非常之广、不同学科涉足生物3D打印的关注点也不尽相同，本书并不能包罗生物3D打印的全部内容。此外，生物3D打印是一个发展非常迅速的领域，本书的内容应在今后研究的基础上不断更新。从这个意义上讲，希望本书能起到抛砖引玉的作用。

作者在研究工作中，得到了浙江大学机械工程学院多位师长及同事的启发、指导和帮助，特别是在研究的起步阶段，得到了弥足珍贵的人员及经费支持。衷心感谢谭建荣院士、杨华勇院士、陈子辰教授、李伟教授、梅德庆教授、居冰峰教授、傅新教授、杨灿军教授、杨将新教授、童水光教授、杨克己教授等各位师长对作者研究的关心、鼓励与支持。

研究过程中也和多位其他学科的老师展开了系统而深入的合作，感谢浙江大学医学院附属第二医院的严世贵主任、项美香主任、陈兵主任、刘震杰医师、刘安医师，浙江大学医学院附属口腔医院王慧明院长，浙江加州国际纳米研究院苟中入副研究员，浙江大学转化医学研究院的陈伟教授等合作伙伴多年来的紧密合作。

作者还要感谢同事多年的姚鑫骅副教授、沈洪垚副教授、赵朋副教授、尹俊研究员、林志伟讲师、吴森洋讲师，谢谢你们的无私帮助。感谢课题组的各位同仁，本书主要基于他们的辛勤工作才得以顺利完成：邵惠锋博士（第4、5章）、刘宇硕士生（第2、3章）、邱京江博士生（第11章）、赵海明博士生（第6、7章）、邵磊博士生（第8章）。感谢出版社同仁为本书出版付出的辛勤劳动。

书中有部分内容参考了有关单位或个人的研究成果，均已在参考文献中列出，在此一并致谢。本书的研究工作得到了国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金浙江两化融合联合基金、浙江省杰出青年基金、浙江省重点研发计划、中央高校基本科研业务费、流体动力与机电系统国家重点实验室青年基金等的资助，特此向支持和关心作者研究工作的所有单位和个人表示衷心的感谢。

生物3D打印是一个近些年才发展起来的新兴研究领域，更是一个多学科交叉的研究领域，这给本书的撰写增添了难度。再加上作者时间仓促，特别是水平所限，虽几经改稿，书中疏漏和欠妥之处在所难免，恳请广大读者不吝赐教。

 

作者

2018年5月于求是园