生物制造工程的原理与方法

生物制造工程是以制造复杂组织和器官为目标的交叉学科研究领域。它运用现代制造科学与生命科学的原理与方法,通过细胞的受控三维组装制造活的组织和器官,修复或替代人体的病损组织和器官。细胞组装技术是生物制造工程的关键技术,它包括两类技术路线:细胞直接组装和细胞间接组装。该文阐述了生物制造工程的原理和方法,分析了国内外研究进展,并介绍了清华大学生物制造工程研究所的研究工作。     

肝细胞的三维受控组装

为解决肝病救治中肝供体缺乏的问题,采用基于快速成形技术的细胞组装机,将肝细胞和海藻酸钠与明胶复合材料的共混物作为成形对象,通过细胞材料直接三维受控组装技术,实现了堆积成形具有一定三维结构和预定义孔隙的肝组织前体。常规体外培养条件下,肝细胞存活并保持生物学活性达12d之久。这一技术有望成为肝脏及其他人体组织器官人工构造的新途径。     

把专能细胞初始化——无需卵子，也不用克隆技术，就能得到所需要的细胞

以重建失去的器官为目的再生医学传出爆炸性新闻：在老鼠实验中，由皮肤细胞得到了能够分化形成任何组织或器官的“万能细胞”。利用这一技术，有可能使用患者自己的体细胞，按照需要制造出神经或肌肉等细胞。新成果跨出了迈向这一目标的第一步。[编者按]     

放飞希望 拥抱健康 ——一份来自海组织工程研究与开发中心的报告

组织工程是应用细胞生物学和工程学的原理,研究开发、修复和改善损伤组织和功能的生物替代物的一门科学,是继细胞生物学和分子生物学之后,生命科学发展史上又一新的里程碑,标志着医学将走出器官移植的范畴,步入制造组织和器官移植的新时代。 组织工程是一门多学科交叉的边缘学科,除了具有临床医学、生物材料学和细胞生物学三大学科支撑外,尚融汇了生物信息、生物化学工程、遗传学及计算机的原理和方法。因此,组织工程是二十一世纪具有巨大潜力的高技术产业。将产生巨大的社会效益和经济效益。为此,本刊记者走访了位于上海漕河泾高新技术开发区的国家863生物领域组织工程研发基地、上海组织工程研究与开发中心。     

面向组织工程的多细胞结构三维自组装成形方法的研究进展

多细胞结构是由细胞群体构成的有机体,其体外构建对于组织工程和再生医学的发展具有重要的基础意义。利用细胞自身的自组织特性构建三维(3D)多细胞结构正成为生物制造和组织再生的一种重要途径,并受到越来越多的关注。对三维多细胞结构的自组装式构建与调控的相关基础研究及关键技术进行了综述及分析,主要涉及凝胶内3D细胞培养、多细胞结构可控形成,及其与图灵反应-扩散机制的联系等方面的研究工作。为进一步研究多细胞3D自组装机理,使得该自组装过程可控,且满足同时调控外部施加和细胞自身分泌的作用因子的浓度梯度分布的需求,提出对内部结构特征梯度化的3D凝胶体内细胞3D自组装模型进行研究,以推进三维多细胞结构及组织前体形成的理性调控技术。     

神经嵴细胞移植在先天性巨结肠症肠道神经组织重建中的作用

先天性巨结肠症是小儿外科常见的肠道疾病之一,主要由于胚胎期神经嵴细胞(Neural Crest Cell,NCC)在消化道迁移受阻,结肠壁肌间神经节细胞缺失、使结肠痉挛收缩发生病变、内容物难以排出、继而引起近端肠管扩张形成巨结肠。NCC在神经组织重建及修复等方面已彰显其良好的应用潜能,在组织替代及修复、维持受损组织或器官生物学功能等方面具有重要作用。本文就NCC在先天性巨结肠症肠道神经组织重建中的应用及意义做一综述,为神经干细胞移植在该类疾病中的应用提供理论依据。     

生物新材料在组织工程中的研究及利用

组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法,构建一个生物装置,来维护、增进人体细胞和组织的生长,以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建,延长寿命和提高健康水乎。其方法是,将特定组织细胞"种植"于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物材料(组织工程材料)上,形成细胞一生物材料复合物;生物材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境;随着材料的降解和细胞的繁殖,形成新的具有与自身功能和形态相     

3D打印心脏更进一步

正一项于2019年8月1日在Science上发表的研究介绍了一种名为"FRESH"的新技术。利用该技术,研究人员可以克服现有3D生物打印方法所面临的诸多困难,以胶原蛋白和心肌细胞为原料打印出心脏组织。在人体中,有一种叫"细胞外基质"的生物支架会将特定的细胞连接在一起,组成器官。到目前为止,还没有生物制造方法能重建这一复杂的网络结构。最大的问题在于,细胞外基质的主要成分胶原蛋白是可流动的液体,难以在空间中立体打印。     

骨/软骨类器官构建策略及应用前景

骨/软骨损伤是骨科临床中的常见病和多发病,其治疗是骨科临床难题,更是再生医学研究热点.目前,骨组织工程被广泛应用于骨/软骨修复,其中生物活性支架材料搭载种子细胞可促进骨/软骨修复,但该技术在骨/软骨新生过程中缺乏多维度、多层次的机制解析和有序调控,无法有效诱导空间化骨/软骨微环境特征,成骨/软骨活性不足,临床修复效果有限.因此,亟须开发新的研究工具和技术,以较小成本和简单方式模拟骨/软骨结构和生理功能,复制其病理特点,用于发病机制研究和促进骨/软骨再生修复.近年来,类器官技术的迅猛发展为再生医学研究提供了独特的解决方案.骨/软骨类器官是近几年涌现出的概念,在国内的研究亦刚刚起步.系统地介绍了骨/软骨类器官的发展历程、构建策略、评价表征、机制探索以及临床前应用等方面的前沿进展,旨在为对该领域感兴趣的学者提供参考,推动骨/软骨类器官临床应用,提升骨/软骨损伤修复效果,为促进骨/软骨损伤组织有序再生修复提供全新干预策略.     

导电高分子膜材料制备及其生物医用研究进展

电信号是生物体调节细胞、器官和组织生理活动的重要途径之一,导电高分子具有导电性和生物相容性,可直接向细胞或组织传递电信号,能够实现组织的修复与再生.在简要介绍导电高分子种类及其材料特性的基础上,聚焦导电高分子膜材料,深入分析该膜材料的电化学合成和化学合成法(包括溶液浇铸、静电纺丝、原位聚合和界面聚合法)的优缺点与适用范...     

非接触式三维重建技术综述

三维重建是获得物体三维信息的技术,是计算机视觉和计算机图形学领域的研究热点,广泛应用在机器人视觉导航、工业制造、医学等领域,具有较高的研究价值。目前,三维重建技术的方法众多,三维重建的外界环境、使用设备和物体的几何形状等因素都会对三维重建效果的准确性、稳定性产生一定的影响。通过分析原理,对主动式三维重建的飞行时间法、光栅重建、结构光重建和被动式三维重建的单目、双目、多目重建等非接触式三维重建技术进行了分析。     

微载体在组织工程中的应用

微载体是跨越组织工程诸多学科的一个通用工具,它可以作为大量扩增种子细胞的良好载体,也可以作为组织工程中细胞转运传递的支架.微载体培养技术作为一种新兴的大规模细胞培养技术,在组织工程学中主要应用于种子细胞的扩增培养.目前,利用微载体进行组织工程细胞的大规模培养受到生物、医学科研人员的青睐.     

逆向工程在鞋楦自由曲面重建中的应用

鞋楦是制鞋工艺中鞋型款式的基准，是制鞋的基础．目前，如何快速建立鞋楦3D自由曲面模型是鞋楦设计制作及鞋底模具制作的重要课题之一．基于此，本文导入逆向工程技术，阐述了其在鞋业中的应用．着重讨论了鞋楦3D自由曲面重建的关键技术，并建立了鞋楦的逆向处理流程，实现了鞋楦3D自由曲面模型的快速重建．对逆向工程技术在鞋业中的具体应用和深化推广有一定的意义．     

FRP在土木工程结构加固应用中的研究进展

 总结了加强纤维复合材料（FRP）的特点,比较了FRP加固与黏钢加固的异同,对FRP结构加固领域的最新研究成果与工程应用成果进行了系统地综述与分析,指出了FRP结构加固研究与应用中应着重解决的几个关键技术,FRP材料技术、FRP加固设计技术、FRP加固施工技术和FRP检测评价技术。文中还针对FRP结构加固的进一步研究给出了建议和展望,加强FRP加固材料、FRP加固的预应力施工方法、碳纤维加固结构施工方法的研究开发;加快相关加固技术规范的编制;加强混合纤维加固结构以及加固结构的长期性能的研究。研究与应用均表明,FRP用于结构加固具有维修费用少、施工方便、对交通干扰小、结构耐久性能好等特点,必将在未来的结构加固领域占据越来越重要的地位。     

纳米支架在组织工程中的研究进展

纳米纤维支架技术是组织工程中为了支持细胞形成受损组织生物替代物的新兴技术。纳米支架能模拟天然的细胞外基质,作为三维的模板供细胞吸附、增殖以及分化。主要介绍了纳米纤维支架的结构特性、构建技术以及生物学效应。     

组织工程三维多孔支架制备方法

随着老龄化社会的到来,组织工程的研究已成为现代生物医用工程技术中最为活跃的研究领域之一。三维多孔的组织工程支架作为骨组织工程学的关键环节,已成为近年来研究的热点。本文就近年来国内外三维多孔组织工程支架制备方法进行综述,希望能为今后的研究提供参考．     

Regenerative medicine of cornea by cell sheet engineering using temperature-responsive culture surfaces

Recently, regenerative medicine has been focused on as next-generation definitive therapies for several diseases or injuries for which there are currently no effective treatments. These therapies have been rapidly developed through the effective fusion be- tween different fields such as stem cell biology and biomaterials. So far, we have proposed ＂cell sheet engineering＂ through our core technology that simply applies alterations of the temperature which allows regulation of the attachment or detachment of living cells on the culture surfaces grafted with the temperature-responsive polymer ＂poly（N-isoproplyacrylamide）＂. This tech- nology enables us to construct bioengineered sheet-like tissues, termed ＂cell sheets＂, without the need of using biodegradable scaffolds and protease treatments that are traditionally used. Therefore, our carrier-free cell sheets not only are independent of the issues observed in conventional methods, but also showed further advantages in the reconstruction of the corneal epithelium or endothelium （e.g. improvement of optical transparency and cell-cell interactions to host stroma in reconstructed tissues）. Moreo- ver, our approach does not have issues such as immune rejection or limited number of donors, due to the use of cell sheets derived from autologous limbal （in patients with unilateral disease） or oral mucosal epithelial cells （in patients with bilateral disorders）. Indeed, we have successfully performed the clinical application for the reconstruction of ocular surfaces through the transplanta- tion of our carrier-free corneal epithelial cell sheets, as evidenced by improved visual acuity as well as long-term maintenance of postoperative health conditions on ocular surfaces in all patients. We have also proposed a novel approach for the reconstruction of the corneal endothelium using corneal endothelial cell sheets by demonstrating its successful application. Thus, our cell sheet engineering technique provides a breakthrough in the field of regenerative medicine applied to the cornea.     

基于逆向工程的皮纹雕刻加工技术研究

介绍了皮革纹理的逆向工程技术，分析了纹理的数据采集、特征处理、CAD曲面重构等方法，并通过实例验证了其四轴雕刻加工的可行性．为皮纹的模具制造奠定了基础．     

三次B样条反求控制点

反求工程作为复杂工业产品设计与制造的重要技术手段之一,深受CAD/CAM领域的广泛重视,特别是自由曲面重构技术作为复杂曲面产品反求工程中的＂瓶颈＂问题,是今后一个时期的研究热点.反求工程中最为关键的技术就是曲面重构技术.目前主要有两大重构方法：NURBS曲面重构和三角Bezier曲面重构.本文围绕NURBS曲面重构展开研究,提出一种反算三次B样条曲线、曲面控制顶点的简便算法.该算法适用于准均匀和非均匀B样条曲线、曲面的反算.算法采用非节点边界条件,不需要由用户提供,从而使反算过程得以简化.