背景:3D生物打印技术在组织工程领域具有巨大潜力,有望利用活细胞和活性生物材料构建具有良好生物组织相容性和生物学功能的简单组织和器官.目的:分析3D生物打印技术和各种生物材料的特点,探讨其在相关组织/器官类似物制造中的应用.方法:应用计算机检索1998至2017年PubMed数据库、Web of Science数据库、Medline数据库、万方医学网数据库有关3D生物打印技术和应用的相关文献.以"3D生物打印,3D生物打印技术,生物材料,组织工程"为中文主题检索词;以"3D bioprinting,3D bioprinting technology,biomaterial,tissue engineering"为英文主题检索词,检索题目和摘要同时包含上述检索词的文献共88篇,排除重复性研究和无关研究,最终纳入47 篇文献进一步分析.结果与结论:目前应用比较广泛的3D生物打印技术主要包括喷墨式技术(热喷墨与压电喷墨)、压力辅助打印技术、激光辅助打印技术、光固化立体印刷技术(单光子和双光子).生物墨的构成除了原生活细胞,还包括天然聚合物和合成聚合物,各有优劣势.3D生物打印含有活细胞的组织/器官类似物在组织工程领域显示出巨大的潜力,尽管已有较广泛的研究,但目前的印刷技术只能完成相对简单的组织结构和生物功能,含有活细胞的3D组织/器官生物打印仍然处于探索阶段.

背景:多项研究证明人体组织与生物电有着密切的联系,因此深入研究材料在细胞和组织电学微环境建立方面的研究是实现缺损组织完美修复与再生的突破点.目的:综述电活性生物材料在组织工程研究领域的应用.方法:利用计算机检索Wiley Online Library、Web of Science、CNKI及万方数据库2006年1月至2019年3月期间发表的关于电活性生物材料(导电聚合物,压电材料,碳基材料)在组织工程研究及应用中的文章.中文检索词为“电活性生物材料,导电聚合物,压电材料,碳基材料,组织工程”,对应的英文检索词为“electroactive biomaterials,composite materials,piezoelectric materials,carbon-based materials,tissue engineering”.结果 与结论:电活性生物材料具备一定的生物相容性及良好的信号传导能力,可弥补现今生物材料在调控细胞分化和组织再生方面的缺陷,在组织工程领域具有良好的应用前景,但其存在诸如降解性能较差、力学性能欠佳等缺点,制约了其应用.因此需充分掌握电活性生物材料的特性及优缺点,才能使之最大限度地仿生天然组织的结构和功能,为细胞分化和组织再生提供良好的电生理微环境,最终智能地调控细胞分化与组织再生.

背景:课题组前期研究证实,含体积分数5％钛酸钡纳米颗粒的钛酸钡/聚偏氟乙烯三氟乙烯压电纳米复合膜可明显促进骨髓间充质干细胞的黏附、生长、成骨分化及骨缺损修复,然而针对临床应用,该材料作为引导组织再生膜与现有临床上不可降解膜产品的骨修复效果有何差异尚不清楚.目的:对比考察钛酸钡/聚偏氟乙烯三氟乙烯压电纳米复合膜材料与商用聚四氟乙烯膜修复大鼠颅骨临界尺寸缺损的效果.方法:采用溶液浇铸法制备出含体积分数5％钛酸钡纳米颗粒的钛酸钡/聚偏氟乙烯三氟乙烯压电纳米复合膜,经过电晕极化处理后使其表面带电.通过扫描电镜、原子力显微镜和水接触角测量仪检测钛酸钡/聚偏氟乙烯三氟乙烯压电纳米复合膜与聚四氟乙烯膜的表面形貌、表面粗糙度及表面亲疏水性.在SD大鼠(购自北京大学口腔医学院实验动物中心)颅骨矢状缝两侧制作直径为5 mm的全厚骨缺损,左侧覆盖聚四氟乙烯膜(对照组),右侧覆盖钛酸钡/聚偏氟乙烯三氟乙烯压电纳米复合膜(实验组),术后4,12周,利用Micro-CT和组织学方法评价材料覆盖大鼠颅骨缺损的骨修复情况.实验已经通过北京大学口腔医学院实验动物伦理委员会讨论批准.结果与结论:①钛酸钡/聚偏氟乙烯三氟乙烯压电纳米复合膜表面平整致密,钛酸钡纳米颗粒均匀分布在基体内;聚四氟乙烯膜由疏松的粗大纤维组成;钛酸钡/聚偏氟乙烯三氟乙烯压电纳米复合膜的表面粗糙度低于聚四氟乙烯膜(P<0.001),亲水性优于聚四氟乙烯膜(P<0.001);②Micro-CT和组织学检测显示,术后4周时,两组缺损处均有新骨生成,但实验组缺损中央有明显的新骨生成;术后12周时,两组缺损均已愈合,但实验组新骨成熟程度高于对照组;③结果表明,钛酸钡/聚偏氟乙烯三氟乙烯压电纳米复合膜可能作为引导组织再生膜.

背景:课题组前期研究发现,极化聚偏氟乙烯-三氟乙烯生物膜体外具有调控成骨细胞增殖分化的作用,然而其体内促进骨缺损愈合的作用尚未明确.目的:建立大鼠下颌骨临界骨缺损的动物模型,评价极化聚偏氟乙烯-三氟乙烯在体内促进骨缺损愈合的作用.方法:采用流延法制备聚偏氟乙烯-三氟乙烯生物膜,经由电晕极化处理后使其获得良好且稳定的压电性能,表征极化前后生物膜的物理化学性能、电学性能与生物相容性.在18只Wistar大鼠双侧下颌角制备直径4 mm的临界全厚骨缺损,随机分为3组(n=6),实验组植入极化生物膜,对照组植入未极化生物膜,空白对照组不做处理,术后4,8周取材,采用Micro-CT扫描分析各组的骨形成量,采用组织染色观察各组骨形成情况.实验方案经南方医科大学动物实验伦理委员会批准,伦理批件号:第00225515号.结果 与结论:①聚偏氟乙烯-三氟乙烯生物膜极化后的表面形貌、水接触角、弹性模量及最大拉伸强度无明显变化,电学常数为-10 pc/N,表面电势为-83 mV;②细胞增殖-毒性检测结果显示,极化生物膜促进了骨髓间充质干细胞的增殖,未对细胞产生毒性反应;③术后4,8周的Micro-CT结果显示,实验组骨缺损区骨形成量显著高于对照组、空白对照组(P<0.05);④术后4,8周的苏木精-伊红染色显示,实验组骨组织愈合速度与质量明显优于对照组、空白对照组;⑤术后4,8周的免疫组化染色显示,实验组骨缺损区的Runx2表达高于对照组、空白对照组(P<0.05);⑥结果表明,极化生物膜具有良好的理化性能、生物相容性与体内促成骨性能.

背景:骨具有压电效应,可将其所受应力转化为骨表面的电信号,通过电信号调节骨的代谢与生长.具有生物电活性的压电材料作为骨植入物能在受力时表面生成电荷,恢复损伤骨组织表面电势从而达到促进骨愈合的目的.目的:文章从压电的角度介绍了骨的压电效应,说明压电材料促进骨缺损修复的可行性以及压电材料应用于骨组织工程的研究进展,并阐述压电材料促进成骨的机制,以期为骨缺损修复提供新的思路.方法:以"Piezoelectric effect,Piezoelectric materials,Piezoelectric ceramic,Piezoelectric polymers,Osteogenesis,Bone tissue engineering,Scaffolds,Bone defect,energy harvester"为英文检索词,以"压电效应、压电材料、压电陶瓷、压电聚合物、成骨、骨组织工程、细胞支架、骨缺损、能量采集器"为中文检索词,在PubMed,Web of Science,ScienceDirect,中国知网和万方数据库中检索筛选出88篇文献进行归纳总结.结果 与结论:①压电材料具有因受力形变而产电的自发电特性,能模拟骨组织的细胞外基质的生物电微环境,可制备成生物支架,在不依赖于生长因子和药物的情况下给予骨组织电刺激,增强骨修复功能,在骨缺损的治疗中具有应用前景.②压电材料通过刺激细胞电压门控钙通道、α5β1整合素、促进局部血流增加等途径促进成骨.③目前尚未发现任何单一压电材料可满足组织工程的压电材料的特征,因此压电陶瓷与压电聚合物相结合,压电材料与生物活性材料相结合的压电复合材料应运而生,其中压电陶瓷-有机物复合材料,保留了压电陶瓷的压电性能优异和生物相容性良好优点的同时更易于加工,其生物相容性和促进骨细胞贴附、矿化等功能更强,是当前治疗骨缺损效果最好的压电材料;④虽然压电材料能模拟骨组织的生物电微环境来促进成骨,但由于对压电材料影响骨细胞的机制尚未明确,以及不同骨组织微环境各不相同,因此限制了压电材料在临床的应用,随着材料研发技术的进步和对压电材料作用于细胞的研究愈发深入,压电材料有望为骨缺损的修复提供新的思路.

背景:骨及血管组织的天然压电性能,吸引了大量关于压电材料在血管化骨组织再生领域的研究.因此,深入研究压电材料在骨及血管电学微环境下对细胞行为及组织再生的影响,有利于突破组织工程骨移植物新生血管化不足这一限制,实现其在临床中的广泛应用.目的:综述压电生物材料在血管化骨再生研究领域中的应用及进展.方法:以"压电材料,骨再生,血管化,血管生成"为中文检索词,以"piezoelectric material,bone regeneration,vascularization,angiogenesis"为英文检索词,在PubMed、Web of Science、中国知网数据库中检索发表于2011-2021年的相关研究论著.结果 与结论:压电生物材料具备良好的压电性能和生物相容性,可以通过压电作用产生电信号,刺激骨组织和血管组织,对组织再生进行调控,弥补惰性生物材料活性不足的缺陷,在血管化骨再生领域具有良好的应用前景.然而,目前调控压电材料促进组织修复的机制尚不明确,以血管化骨再生整体为目标的综合研究数量较少,压电材料性能方面也存在诸如不可生物降解及机械性能不足等缺点,亟待解决.

生物电现象在骨发育、骨折愈合和成骨过程中起着至关重要的作用,具有生物电活性的压电材料有着与骨相似的压电效应.利用压电支架材料作为人工合成修复骨缺损材料,已成为当前的研究热点.本文综述了天然骨生物电现象、压电材料对成骨细胞的促增殖及促骨缺损修复作用,以及压电支架材料在骨组织工程领域的相关研究进展,总结并分析了未来压电支架材料在骨组织工程领域的研究方向.