生物材料制造技术

生物材料是各个领域，尤其是医学领域的基本元素。它们可以帮助恢复生物功能，加快受伤后的愈合过程或疾病。天然或合成生物材料用于临床应用，以提供支持、替换受损组织或恢复生物功能。此类类型的研究生物材料是一个活跃的研究领域，特别是在组织领域工程（TE）。通常，术语TE描述再生、生长和修复因疾病或损伤而受损的组织。TE是一门结合了生物学、生物化学、临床医学和生物材料，导致了这项研究以及各种应用程序的开发。例如，在再生领域医学、生物材料可以作为支架来促进细胞生长和分化，最终促进组织的愈合过程。本章描述了生物材料的各种特性，详细讨论了TE的设计、性能和生产技术以及未来方向。 

组织工程的目标是通过结合细胞与仿生材料，以启动新组织的生长。仿生材料在组织工程中起着至关重要的作用，因为它作为模板，负责为组织发育提供合适的环境，包括细胞的增殖和细胞外基质的沉积。生物复合材料复合材料，由一种或多种生物多相材料组成原产地。在本章中，用于组织工程的生物复合材料在细节。本章还重点介绍了脚手架及其机械性能。这个本章还包括用于脚手架制造的各种材料。

冷冻干燥过程包括溶剂在真空下从预先冷冻的溶液中升华，从而形成多孔材料。孔隙体积、孔径和密度取决于几个变量，包括冻结温度、溶质和溶剂类型、溶液浓度和冻结方向。研究人员研究了水溶液和有机溶液、超临界CO2溶液和胶体溶液，以产生各种多孔结构。一种较新的工艺涉及乳状液的冷冻干燥，从而控制孔隙体积和孔隙形态，以及多孔有机纳米材料。定向冷冻和喷雾冷冻用于生产定向多孔材料和多孔颗粒。在本章中，我们描述了冷冻干燥过程的基本原理、影响冷冻干燥生物材料孔隙率的因素及其生物医学应用。本文从多孔结构、微纳米线和微纳米颗粒三个方面详细讨论了冻干多孔生物材料。我们总结了该领域的现状，并给出了未来研究的一些方向。

纳米纤维是纤维材料和其他有用材料的必要来源组织工程、过滤、安全织物、电池等应用到目前为止纳米纤维的生产。然而，由于其生产率低静电纺丝的商业用途是最小的。几乎所有的纳米纤维制造技术（例如，熔喷、双组分工艺、分相、模板合成和自组装等）用于从有限的聚合物材料的数量。离心纺丝（CS）和溶液吹塑纺丝（SBS）是制造纳米纤维的先进替代工艺各种低成本原材料的性能。本章重点介绍全面概述CS和SBS以及纳米纤维的制备。

静电纺丝技术在生物材料制备中的应用静电纺丝纳米纤维（ESNFs）因其易得性而备受瞩目，成本效益、高生产率和多样化的生物医学应用。这个ESNF具有独特的特性，例如稳定性和机械性能渗透率、孔隙率、高比表面积和体积比，以及易于功能化。ESNF的特性可以通过改变过程变量或生物材料溶液特性。可以引入活性药物通过混合、表面改性或乳化形成ESNF。在本章中，在第一部分中，我们简要讨论了制作的基本方面，ESNF的常用材料、工艺参数和表征。在第二部分，我们详细讨论了ESNFs在药物中的生物医学应用分娩、组织工程、伤口愈合、癌症治疗、牙科、医学疾病的过滤、生物传感和成像。 

在过去的十年里，三维打印（3DP）在公众和科学界的各个学科中都得到了广泛的欢迎，包括工程、医学、制造艺术，最近还包括教育。这项技术的优点是，它能够使用各种材料，如陶瓷、聚合物、金属和生物墨水，设计和打印几乎任何物体形状。这进一步促进了该技术在临床和研究环境中的生物医学应用。在生物医学中，各种生物材料得到了显著的发展，这反过来又加速了这项技术作为各种形式的合成支架（如支架、构建体或基质）的重要作用。在本章中，我们想回顾一下3DP技术在生物医学工程中应用的开创性文献。本章重点介绍了用于组织工程应用（TE）的各种3DP技术和生物材料。3DP技术在生物医学和TE（B-TE）中有多种应用。使用3DP的B-TE应用的定制结构具有几个优点，例如，它们易于制造且价格低廉。另一方面，传统技术成本高、耗时长、劳动密集，通常与3DP不兼容。因此，作为一种新的制造技术，3DP的功能需要在许多其他潜在应用中进行探索。在这里，我们全面概述了不同类型的3DP技术以及如何使用它们。

聚合物在各种生物材料开发中的应用近几十年来，生物医学应用变得越来越重要。收件人聚合物基组织支架符合生物组织的固有特性必须具有所需的结构和功能属性。然而，聚合物基用传统方法制备的水凝胶通常很脆弱，需要预稳定。这就需要探索生物友好型交联剂促进水凝胶聚合物网络中的动态或可逆交联必须对细胞和组织无毒。组织良好的光引发剂在特定波长下反应的多光子截面可能是理想的候选人。本章回顾了固体或粘弹性生物材料的制造通过液体多光子光刻（MPL）制作支架。它描述了相似性和生物常规光聚合和MPL光聚合的区别支架的合成化学、性能及其与生物的相关性应用。这些光敏支架可能是有用的生物材料生物医学应用。

组织工程中使用的支架最重要的特点是拥有适当的物理和机械性能来支撑或恢复受损或退化组织的生物学功能。孔径、孔隙度、孔隙互连性和机械强度都是物理和机械性能这一点必须加以考虑。研究了各种制造技术，以创造一种适合组织工程的支架。一个例子是颗粒浸出（盐浸）技术。所用聚合物和盐的类型盐和制造技术都会影响所需的物理和机械性能盐浸支架的性能。在过去的十年里组织工程支架的制备研究。本章综述了使用的不同类型的材料、基本盐浸工艺及其新技术修改。还讨论了盐浸的优缺点技术及其未来展望。 

组织工程技术旨在利用具有人类细胞所有组织学和生理学特性的生物材料来替代或再生受损组织或器官，从而创建一种天然的组织结构。纳米技术正在兴起，并扩展到所有科学领域，包括工程、医学、诊断和治疗学。专门设计用于模拟细胞/细胞外环境的生理信号的纳米结构（生物材料）可能被证明是再生医学和组织工程中不可或缺的工具。在本章中，我们从两个不同的角度讨论了生物材料设计。超分子自组装是一种自下而上的生物材料设计方法，它利用生物分子中存在的所有作用力和相互作用，并负责其功能组织。这种方法具有组织工程技术最大突破之一的潜力，因为它模拟了自然、复杂的生物分子卷曲和折叠过程。相反，纤维网支架是一种自上而下的方法，其中细胞被播种。支架形成细胞支架，而细胞产生并释放所需的化学信使以支持再生过程。因此，如果对这两种技术进行有效的探索，可能会导致通过自组装或通过制造具有较长保质期和最小不良反应的最佳支架来生产理想的生物材料。

生物材料由于其令人印象深刻的结构、生理和生物特性，如无毒性、生物相容性和生物降解性，正受到人们的极大关注，特别是在生物医学领域。许多生物材料被用于制造组织工程和再生医学中应用的支架，它们被用作伤口敷料、移植物、器官和替代物。迄今为止，已经开发了许多技术，用于用生物材料制造支架。本章重点介绍通过溶剂浇铸和熔铸技术制造支架。它考察了溶剂浇铸和熔融浇铸技术在制造用于组织工程的具有定制微结构和纳米结构的生物支架中的应用。还讨论了这些技术在制造用于所需生物医学应用的生物支架方面的优点和局限性。最后，描述了溶剂和熔融铸造技术面临的各种挑战，并提出了未来研究的解决方案，以开发用于高级生物医学应用的生物材料。