目前细胞工程研究正从“让细胞表达产物”转向“直接制造细胞内的功能结构”。本研究提出基于双光子成形的生物相容材料的悬浮细胞内直接打印方法,以实现活细胞内可编程的微米级三维功能结构的制造,从而克服简单胞吞或吞噬作用难以吞噬微米级大颗粒的局限。本项研究重点介绍了将生物相容性光引发剂大批量渗透进细胞与自动化双光子打印技术相结合的工作流程,并讨论如何将内源性蛋白、生物相容性单体或其他生物材料作为交联元件纳入上述体系中,以减轻免疫排斥和细胞毒性。这项研究将细胞从单纯的反应容器提升为可以进行操控的微型工厂,进而直接影响细胞内传感、追踪和精准药物递送。目前这项新技术依然面临诸多关键挑战,包括建立标准化可用于活细胞内打印的材料库、实现自动对焦和细胞姿态的自适应控制,以及根据细胞功能来协同设计打印装备等。预计“细胞内3D打印”技术将为合成生物学与微纳生物制造之间提供一种新颖的接口。

细胞内打印; 双光子聚合; 微纳制造; 生物医学应用

生物制造正在快速重塑材料、治疗产品及功能性生物结构的生产方式。该领域融合了可持续生物材料、精密制造技术、生物系统以及数据驱动工程的发展,推动形成可规模化、高效率且符合可持续发展的新型生产范式。本文综述了新加坡研究团队近年来在该领域的代表性进展,重点围绕三个相互关联的方向展开:可持续生物来源材料、关键制造技术以及新兴应用。首先,文章系统梳理了生物质来源原料的拓展应用,包括人体毛发角蛋白、水产副产物以及植物来源多糖等,这些材料为资源循环利用与绿色制造提供了重要基础。随后,总结了静电纺丝、三维生物打印及金属增材制造等关键技术进展,这些方法显著提升了结构调控能力与功能实现水平。进一步地,机器学习辅助制造、食品生物制造、再生细胞治疗、微针系统以及生物电子学等新兴应用,体现了生物制造在健康、材料与工程等领域的交叉融合趋势。新加坡相关研究表明,可持续原料、数字化制造平台与 生物驱动应用的协同发展,正在共同塑造生物制造的未来格局。材料科学、生物工程与先进制造技术的深度融合,将持续推动该领域在生物医学、工业制造及社会应用中的创新发展。

3D bioprinting; Biofabrication; Sustainable biomaterials; Food biomanufacturing; Cell therapy; Microneedles; Bioelectronics

肠道作为屏障、吸收与免疫系统的重要组成部分,在维持人体内环境稳态及影响疾病进程中发挥着关键作用。其独特的生理功能源于组织结构与微环境之间的复杂互作。近年来,生物工程技术的迅速发展使得体外肠道模型的构建成为可能,并能较为逼真地再现原生器官的组织学与功能特征。本文综述了体外模型与原生肠道生物学间的联系,从工程制造视角探讨了器官功能复现的实现路径。我们重点讨论了支撑跨尺度结构还原与仿生微环境构建的生物工程策略,这对维持生理功能至关重要。同时,本文还提出了体外模型在生理与病理研究中的应用优化策略,以提升其在药物研发、疾病建模与个体化医疗中的转化潜力。与以往综述不同,本研究提出了一个以工程为核心的分析框架,旨在将结构制造策略与各类肠道模型的功能表现紧密衔接。

Intestinal model; Organ-on-chip; Organoid; 3D bioprinting; Biomedical application

微针技术已经历了从基础经皮给药到智能闭环诊疗一体化系统的范式转变。水凝胶材料因其优异的生物相容性、高效载药能力及良好的患者顺应性, 成为核心载体。此外, 水凝胶微针存在的机械强度不足、药物突释及治疗响应延迟等关键瓶颈, 可通过纳米材料的跨尺度整合加以解决。本综述系统阐述了数种用于克服这些局限的多尺度工程策略: 构建纳米拓扑网络并结合动态交联调控, 可协同增强水凝胶微针的机械性能、载药稳定性与导电性; 搭载生物传感器的响应性纳米载体则有助于在监测与治疗功能间建立闭环联动。我们重点分析了其在创面调控、肿瘤免疫微环境等场景中的协同诊疗优势, 同时揭示了其在智能医疗领域集成柔性电子与可穿戴系统的应用价值。此外, 综述总结了纳米复合水凝胶微针(NHMNs)在生物安全性与可规模化制备工艺方面的研究进展, 并通过临床转化实例阐明了从基础研究到产业化应用的路径。作为纳米技术、生物材料与柔性电子的融合体, NHMNs不仅为经皮诊疗一体化树立了新标准, 也为个性化医疗中智能诊疗设备的迭代升级提供了路线图。其跨尺度的协同设计, 涵盖了材料特性到宏观器件功能整合, 有望推动下一代闭环诊疗系统的突破。

Microneedles; Hydrogel; Nanomaterials; Transdermal drug delivery; Closed-loop theranostic system

中心静脉导管（central venous catheters,CVCs）在现代医疗体系中具有重要作用,尤其广泛用于重症监护病房。然而,由于其长期植入及与血液直接接触的特性,CVCs极易发生微生物定植,进而引发严重的导管相关血流感染,显著增加患者发病率、死亡率及医疗负担。据统计,在美国,相关感染约占年度死亡人数的12%~25%。目前的预防措施包括抗生素或抗菌剂涂层导管、药物浸渍导管以及最大化无菌屏障技术等,但在应对生物膜形成和耐药菌感染方面效果有限。因此,开发具有长期稳定抗菌性能的新型CVCs成为研究重点。本综述系统梳理了抗菌型中心静脉导管的构建策略,包括抗污材料应用、抗菌纳米颗粒（nanoparticles,NPs）引入以及导管表面功能化改性等方法,涵盖已商业化产品及仍处于研究阶段的技术方案。同时,本文进一步分析了抗菌CVCs的材料体系与加工工艺,重点讨论其在工业化生产和临床应用中的优势与挑战。此外,本文探讨了无机纳米颗粒的抗菌潜力及其抗菌活性的来源机制,为未来导管相关感染的预防策略提供理论依据和技术参考,有助于提升患者生存质量与临床治疗安全性。

Additive manufacturing; Antimicrobial strategies; Catheter production; Catheter-related infections; Central venous catheters

增生性瘢痕（HSs）因其病因复杂、形态多样,临床治疗仍面临挑战,亟需多靶点联合治疗策略。本研究通过金属–酚醛网络介导的多金属氧酸盐钼簇（{Mo154}）与表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）的自组装,并经壳聚糖包覆,制备了壳聚糖包覆的{Mo154}/EGCG（CME）纳米颗粒,进而将其负载于可溶性微针中,形成可用于透皮给药的CME@MN系统。在近红外激光照射下,CME表现出三重协同治疗效应:抑制人瘢痕疙瘩成纤维细胞中的胶原过度生成与细胞外基质沉积、调控人脐静脉内皮细胞的增殖与迁移,以及促进巨噬细胞向促炎M1表型重编程。体内实验表明,CME@MN贴片可优先蓄积于瘢痕组织,通过光热增强机制有效规整细胞外基质结构、改善胶原纤维排列,并抑制成纤维细胞活性,同时展现出良好的生物安全性。CME@MN系统通过整合性干预瘢痕病理过程中的纤维化、血管生成与炎症反应,为增生性瘢痕的治疗提供了一个具有潜在转化价值的一体化平台。

Hypertrophic scar therapy; Anti-fibrosis; Microneedle; Metal–phenolic network; Polyoxometalate

脊髓损伤会对中枢神经系统造成严重创伤,引发氧化应激、炎症反应、髓鞘脱失及瘢痕形成等复杂病理过程。在损伤过程中,持续的髓鞘崩解会释放髓鞘碎片,这些碎片会直接抑制神经再生,阻碍损伤后的功能恢复。此外,髓系来源的巨噬细胞会浸润损伤部位,大量吞噬髓鞘碎片并转化为富含脂质的泡沫细胞。泡沫细胞在损伤核心区域聚集,促进纤维化瘢痕形成,进一步危害轴突再生。为解决这些问题,我们开发了一种复合支架,由泡沫细胞膜涂层的聚己内酯纳米纤维膜与双基质人脱细胞羊膜水凝胶组合而成。通过材料表征、体外实验及大鼠脊髓损伤模型的评估,我们证实该支架保留了人羊膜的生物活性特性,能有效清除髓鞘碎片、抑制泡沫细胞聚集,同时促进脊髓损伤后的神经再生。这种基于新型生物材料的创新策略,为解决脊髓损伤后持续存在的髓鞘碎片堆积问题提供了新的解决方案。

Spinal cord injury (SCI); Nerve regeneration; Foam cell; Biomaterials

骨关节炎是最常见的慢性关节疾病之一,具有较高的发病率和致残风险。 构建能够精确模拟骨关节炎关节力-化-生耦合微环境的临床前研究模型,对于揭 示其发病机制及推动药物研发具有重要意义。本研究提出一种基于微流控技术的 软骨器官芯片,该模型整合了可精确调控的力学刺激以及组织/细胞间通讯的功 能单元,能够有效模拟关节软骨的关键生理特性,适用于器官水平的骨关节炎机 制研究。通过施加精确控制的周期性机械压缩,成功构建了可同时再现软骨稳态 维持与损伤演变过程的体外模型,并实现了对软骨细胞机械转导过程的实时观测。 进一步研究表明,力学过载所致软骨损伤可诱导滑膜组织异常活化并引发局部免 疫失衡;同时,我们验证了该芯片系统在潜在治疗靶点筛选方面的应用价值。该 软骨器官芯片系统所模拟的微环境高度接近体内生理状态,为探究复杂的力-化-生耦合机制提供了可靠的体外平台,有望促进骨关节炎病理机制的深入解析及新 型干预策略开发。

Osteoarthritis (OA); Bio-chemo-mechanical coupled microenvironment; Cartilage-on-a-chip; Mechanical stimulation; Intercellular communications

快速且高精度的可见光光聚合技术是推动生物打印工程化组织发展的关键基础。 本研究构建了一种新型三组分光引发体系, 用于可见光诱导甲基丙烯酰化明胶 (gelatin methacryloyl, GelMA) 水凝胶的交联反应, 以提升聚合动力学性能、 力学强度及结构稳定性。 通过引入2-溴代乙酰苯(2-bromoacetophenone, BAP), 显著加快了光聚合反应速率, 且反应速率随 BAP 浓度增加而进一步提升, 从而实现了稳定水凝胶支架的快速制备。 打印实验结果表明, 在可见光照射下, BAP 可促进 GelMA 生物墨水的快速交联, 在缩短打印时间的同时保持了高分辨率的结构特征。 此外, 在水合过程中, BAP 的引入诱导水凝胶发生微尺度结构转变。 扫描电子显微镜成像与溶胀行为分析结果证实了该结构演变。 基于这一特性, 研究进一步构建了具有时间依赖性形变行为的多层结构, 实现了四维 (4D) 打印功能。 生物相容性评价结果显示, 在含 BAP 的水凝胶体系中细胞仍保持较高存活率。 综上所述, 基于 BAP 的光引发体系为高速、 高分辨率生物打印提供了一种具有潜力的技术策略。 该体系兼具增强的力学性能、 缩短的制备时间以及结构动态可调性, 为先进生物制造与组织工程应用提供了新的技术路径。

Gelatin methacryloyl (GelMA); Bioink; Photoredox; Visible light crosslinking; Digital light processing (DLP) rapid three-dimensional (3D) bioprinting; Four-dimensional (4D) bioprinting

硅藻作为一种天然多孔二氧化硅材料, 具有重要的生物医学应用潜力。 生物混合微米机器人在靶向递送方面也展现出良好前景; 然而, 将硅藻转化为生物混合微米机器人并利用其固有特性进行癌症治疗的研究仍相对有限。 本研究将威氏海链藻 (Thalassiosira weissflogii) 转化为生物混合微米机器人 (MagDiatoms), 并保留其内部叶绿素, 从而实现了无需额外药物修饰的 MagDiatoms 介导光动力治疗。 在该体系中, Mag-Diatoms 作为微米机器人表现出良好的生物安全性, 而叶绿素则充当光敏剂。 借助人工智能算法, Mag-Diatoms 实现了自主闭环运动, 能够沿预设轨迹进行可控导航。 Mag-Diatoms 还表现出能够穿过狭窄缝隙并在细胞环境中向癌细胞靶向运动的能力。 在体外, 利用人类恶性胶质母细胞瘤 (GBM) 细胞系和患者来源的原代细胞验证了其光动力治疗效果。 结果表明, 细胞存活率与 Mag-Diatoms 的浓度、 激光强度及照射时间密切相关。 经 Mag-Diatoms 与激光联合处理, 原代细胞的存活率降至 19.5%, 细胞系模型的存活率降至 3.6%。 此外, 基于小鼠脑胶质瘤模型的体内实验表明, Mag-Diatoms 介导的光动力疗法可有效抑制脑胶质母细胞瘤的生长。 这些结果突显了基于硅藻的生物混合微米机器人利用其天然特性, 作为脑胶质母细胞瘤光动力治疗的新型材料与解决方案的潜力。

Diatom; Biohybrid microrobots; Autonomous movement; Photodynamic therapy; Glioblastoma