新加坡研究人员发表了一篇综述，系统梳理了该国在生物制造与生物加工领域的最新贡献，涵盖从废弃物衍生生物材料、3D生物打印到养殖食品、再生医学、微针以及生物电子学等多个方向。该综述发表于《Bio-Design and Manufacturing》期刊，重点考察了新加坡研究团队在三个领域的工作：生物衍生材料、使能制造技术以及新兴应用领域。作者认为，随着生物系统、先进材料、数字工具和自动化制造平台的融合，生物制造与生物加工正日益重叠，共同用于生产功能性生物产品。该论文的作者来自南洋理工大学（NTU）、新加坡国立大学（NUS）、新加坡科技研究局（A*STAR）、新加坡眼科研究所、杜克-新加坡国立大学医学院以及新加坡国家眼科中心等机构。
生物制造被定义为利用增材制造、图案化技术和工程化细胞微环境，对生物或生物功能结构进行自动化、空间可控的组装。相比之下，生物加工传统上是指利用细胞、酶、微生物系统、生物材料、治疗分子、食品成分和工程化组织进行规模化生产。
作者指出，随着研究人员开发面向医疗、食品和工业生物技术的集成生产平台，这两个领域之间的界限正变得越来越模糊。
来自废弃物的可持续生物材料
该综述的一个重点是利用生物质衍生原料作为可持续生物材料。
新加坡研究人员探索了人发角蛋白、水产养殖副产品、植物来源多糖以及花粉等来源，用于生产水凝胶、支架、纤维和微凝胶。人发角蛋白被强调为一种有前景的废弃物衍生材料，因为它来源广泛，既能支持细胞附着，又便于化学改性。综述涵盖了从水凝胶、角蛋白-海藻酸盐复合材料到多孔支架和纤维形式的各种角蛋白基材料。这些系统已被研究用于组织工程，在某些情况下，还有潜力用于缝合线应用。角蛋白的高半胱氨酸含量使其可以通过不同方式进行交联，从而适应组织工程需求。然而，提取成本仍然是其更广泛应用的一个障碍，作者指出，要实现商业规模生产，需要更环保、成本更低的方法。
综述“塑造新加坡生物制造与生物生产的未来”的图形摘要。图片来源：生物设计与制造
水产养殖副产品也被视为有用的生物材料来源。罗非鱼皮因其胶原蛋白含量而受到关注，相关实例包括脱细胞支架、用于骨修复的电纺胶原纳米纤维、基于鱼胶原蛋白的人类皮肤等效物，以及用于伤口愈合的压电水凝胶。综述还讨论了使用美国牛蛙皮胶原蛋白和鳢鱼鳞片羟基磷灰石制成的复合材料，展示了如何将水产养殖废弃物重新用于软组织和硬组织应用。植物来源多糖方面，综述介绍了甲基丙烯酸化亚麻籽胶，这是一种通过水基工艺生产的光交联水凝胶。该材料表现出机械韧性、缓慢降解的特性，并具有软骨再生的潜力。
电纺丝、3D生物打印和金属增材制造
综述将电纺丝、3D生物打印和金属增材制造确定为生物制造的关键使能技术。
电纺丝被认为是一种多用途方法，可用于生产类似细胞外基质结构的纳米纤维支架。论文讨论了其在药物递送、伤口敷料、血管移植物、神经再生、肝脏支持系统、可穿戴设备、汗液传感和神经接口等方面的应用。对于3D生物打印，作者重点介绍了基于挤出、基于喷射和基于光聚合的三种方法。挤出生物打印被描述为适用于载细胞水凝胶和更大尺度的组织构建体，实例包括物理交联的明胶生物墨水、支撑浴打印、双交联生物墨水、花粉来源微凝胶以及混合骨软骨构建体。
基于喷射的生物打印被介绍为一种高精度的按需滴落方法，用于对细胞、生物分子和生物墨水进行图案化。综述重点介绍了改性GelMA基墨水、聚乙烯吡咯烷酮配方、水凝胶微粒以及关于液滴行为和细胞活力的研究，应用包括人类肺泡肺模型和色素性皮肤构建体。
基于光聚合的生物打印（包括SLA和DLP）被描述为适用于高分辨率结构，且对封装细胞的剪切应力低。实例包括PEGDMA增强GelMA生物墨水、梯度DLP生物打印，以及用于人类脊髓祖细胞的微通道支架。
金属增材制造也被用于生物医学植入物。综述讨论了镁合金作为临时性、可生物吸收的植入材料，以及钛钽合金作为永久性植入材料，其相比Ti-6Al-4V具有潜在优势。
对于镁合金，论文涵盖了粘结剂喷射打印、无粘结剂3D打印、微波烧结、腐蚀行为、粉末工程和后加工流程。对于钛合金，则重点介绍了激光粉末床熔融、原位合金化、工艺图谱、点阵结构以及用于植入物设计的有限元分析。
机器学习辅助增材制造
机器学习被描述为增材制造和生物加工中日益增长的一部分，帮助研究人员对复杂过程进行建模、减少试错并改进过程控制。
综述涵盖了几个实例，包括用于估计喷墨喷射液滴中细胞数量的机器学习模型、指导合金设计、优化Ti-Ta原位合金化、预测LPBF Ti-6Al-4V的杨氏模量、检测熔池缺陷以及在缺陷发生前进行预测。作者认为，这些工具可以支持更具预测性的制造工作流程。机器学习不是将材料开发、过程监控、缺陷检测和质量控制视为独立的步骤，而是可以帮助在闭环系统中连接这些功能，适用于软材料和硬材料的生物制造。
食品生物加工与培养肉
综述还审视了食品生物加工，涵盖了基于细胞和非细胞两种方法。实例包括用于培养肉的可食用醇溶蛋白支架、用于减少血清使用的植物蛋白水解物、用于肌肉和脂肪组织工程的脱产芦笋支架，以及3D打印三文鱼类似物。作者还讨论了用于三文鱼刺身类似物的鱼明胶和结冷胶水凝胶、用于产生肉香化合物的猪细胞，以及用于吞咽困难患者的植物基食品墨水。这些例子共同展示了生物加工不仅可以塑造细胞生长，还可以影响食品的结构、质地、营养和感官特性。
综述中涵盖的食品生物制造方法包括培育肉支架、3D打印的鲑鱼替代品以及细胞衍生的芳香化合物。图片来源：生物设计与制造
再生细胞疗法与微针
再生细胞疗法通过两个主要例子进行了介绍：糖尿病和角膜再生。对于糖尿病，综述讨论了胰腺β细胞模型、人类多能干细胞衍生的胰岛样细胞、疾病建模、药物测试以及潜在的β细胞替代疗法。对于眼部再生，则涵盖了上皮移植物、角膜细胞疗法、基质透镜、角膜内皮细胞注射以及组织工程内皮角膜移植术。
微针也被介绍为一个治疗平台。实例包括用于siRNA递送的可溶性透明质酸微针、用于炎症细胞隔离的多孔微针、用于抗炎疗法的干粉微针、用于细胞递送的冷冻微针，以及用于间质液提取的水凝胶微针。
综述将这些系统描述为用于局部治疗、诊断、免疫调节和生物采样的多功能工具。
生物电子学的例子包括可伸缩的表皮生物标志物传感器和用于纺织电子学的身体耦合交互纤维
印刷式与柔性生物电子学
生物电子学是综述涵盖的最后一个应用领域。该领域被描述为材料科学、电子学和生物学的结合，旨在创造能够感知、刺激和与生命系统交互的设备。基于印刷的方法被介绍为传统微加工的一种替代方案，可以实现更快的原型制作、更大的定制化程度，以及与柔软或不规则生物表面更好的兼容性。实例包括气溶胶喷射打印的多电极阵列、3D打印的自支撑Field's金属结构、可拉伸的表皮生物标志物传感器、组织粘附压电软传感器，以及用于纺织电子产品的体耦合交互纤维。
这些发展共同指向了可以佩戴在皮肤上、植入体内、与组织整合或织入纺织品中的生物电子系统。
来源：中国3D打印网编译文章！
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