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解读3D打印技术在生物医学领域的应用

导读: 3D打印起源于20世纪80年代,近年来发展迅猛,被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”。生物3D打印是3D打印的一个分支,目前正在国内外掀起新一轮研究热潮。

从2016年11月至今,3D打印圈子内就不断的有蓝光英诺的新闻爆料,2016年12月初,南极熊披露蓝光英诺将进行血管3D打印成果发布会之后,蓝光发展股票停牌,就在2017年大年初九宣布,力争2017年启动临床植入人体。3D打印起源于20世纪80年代,近年来发展迅猛,被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”。生物3D打印是3D打印的一个分支,目前正在国内外掀起新一轮研究热潮。下面我们对生物3D打印作一个简要介绍。

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一、什么是生物3D打印

生物3D打印是基于“增材制造”的原理,以特制生物“打印机”为手段,以加工活性材料包括细胞、生长因子、生物材料等为主要内容,以重建人体组织和器官为目标的跨学科跨领域的新型再生医学工程技术。它代表了目前3D打印技术的最高水平之一。

二、生物3D打印技术的发展历程

从1995年出现以来,生物3D打印技术的发展经历了四个层次。第一层次:打印出的产品不进入人体,主要包括一些体外使用的医学模型、医疗器械,对使用的材料没有生物相容性的要求;第二层次:使用的材料具有良好的生物相容性但是不能被降解,产品植入人体后成为永久性植入物;第三层次:使用的材料具有良好的生物相容性,而且能被降解。产品植入人体后,可以与人体组织发生相互关系,促进组织的再生;第四层次:使用活细胞、蛋白及其他细胞外基质作为材料,打印出具有生物活性的产品,最终目标是制造出组织、器官。

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这是生物3D打印的最高层次。 在现阶段,第一到第三层次的技术发展已比较成熟,已经进入到实际应用层面。第一层次的应用有神经外科及脊柱外科的个性化手术模型、假肢等。第二层次的应用有个体化的永久植入物,如假耳移植物、下颌骨移植物等。2014年北医三院通过3D技术打印出的椎体移植物,也属于这一类。第三层次采用可降解的生物相容性材料,制作出仿生的 组织工程支架。清华大学团队采用低温沉积成形技术,制造出具有分级孔隙结构的骨支架,最多可以做到4级孔隙,有利于各种细胞的生长进入,处于 世界领先水平。

第四层次也被称为“细胞打印”或“器官打印”,是现代意义的生物3D打印,相比较而言前三个层次可以被称为“快速成型”。细胞打印概念于2000年由美国Clemson大学的ThomasBoland教授首先提出,并于2003年首次成功实现。2004年该团队获得一项细胞打印的专利,并授权给在纳斯达克上市的Organovo公司,该公司是目前国际上生物3D打印领域的领头羊。由于笔者的博士导师就是Boland教授,笔者参与了其中的工作,发表的论文受到广泛的关注。

解读3D打印技术在生物医学领域的应用

三、生物3D打印的临床需求和科学意义

在美国,每1.5小时就有1例病人因为等不到合适的器官移植而死亡,每年有超过800万例组织修复相关的手术。生物3D打印技术的目标就是解决组织、器官短缺的问题。 人体是由多种细胞和基质材料按特定方式有机组合而成,具有高度的复杂性。组成人体的细胞有超过250种以上,仅一个肾脏就包含有20多种细胞。软骨组织是相对较简单的组织,细胞种类较少且没有血管、神经支配。1994年科学家认为组织工程技术可以解决器官再造的技术,当时首选的目标就是制造皮肤或软骨组织,但是至今没有真正的成功。而生物3D打印技术可能是解决方法之一。

四、生物3D打印的实现

最早我们使用的是喷墨打印技术。喷墨打印机能够快速地把细小的墨滴精确地打印到相应的位置。喷墨打印机的工作原理是:喷头里有加热元件,将墨滴里面的水快速加热到200℃,使水产生气化,将前面的墨滴喷出去。我们将细胞混悬液灌入墨盒,成功地实现了细胞打印。 为什么200℃的高温没有杀死细胞?

研究发现,喷墨的过程非常迅速,只需要20微秒,热量还来不及传递到墨滴,墨滴就已经被喷出去了。通过反复实验,打印出的细胞可以达到95%以上存活率。 细胞和基质材料逐层打印,就可以达到3D打 印的目的。喷墨打印机可以打出不同的颜色,因此我们也可以打出不同的细胞。比如打印一个类似血管的结构,可以把内皮细胞打印到管壁内层,平滑肌细胞打印到管壁外层,这样逐层打印,可以得到一个和正常结构类似的产品。

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五、工程及医学科学的挑战

首先,由于操作对象是活细胞,非常脆弱。打印是一个物理和机械的过程,这就产生了打印后细胞能不能存活、会不会发育、会不会产生变异甚至肿瘤化的问题。

其次,生物仿生对制造精度及准确性要求极高,打印机能不能达到精度要求,也是一个挑战。

第三,组织及器官是由多材料及多细胞组成的非均质体系,这对制造学也是一个挑战。

六、活细胞打印的部分实例

2003年,我们将海马细胞装入墨盒,在世界上首次打印出一个细胞环。随后我们还用活细菌打印出Clemson大学的名称和标志。在精确度方面,我们可以打印单个动物细胞微球。在美国国家自然科学基金资助下,我们研究了打印的物理机械过程对细胞的影响,发现生物打印不影响细胞的存活、生长及正常生理功能。我们还研究了细胞打印的最佳参数及条件。

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七、生物3D打印的应用

生物3D打印由于其精度高、便携,可用于战场上快速进行战伤创面的修复。这个课题得到美国国防部的基金资助。 我们用心肌细胞和生物材料模拟打印了动物心脏。发现打印出的细胞能够有节奏地跳动,提示打印出的器官可以具有一定的功能。 我们还将羊水中提取的干细胞进行3D打印,并加入骨系分化因子,获得了活性的骨组织。此羊水干细胞技术被美国时代杂志评为2007年世界十大医学突破之一。 我们还做了生物打印大血管、微血管的研究。

八、生物3D打印技术的发展方向

首先,3D打印应该定位于“替代性技术”,是在传统塑造手段不能完成的情况下使用。而不能什么都打,不能为了打印而打印。其次是如何产业化 的问题,要做出产品而且有盈利,才能持续健康地发展下去。

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九、生物3D打印的产业化

实验室成功不等于产业化成功。产业化是指从创新成果到形成一定规模生产的转化过程。这是非常复杂的。 对医疗产品来说,因为是要应用于人体的,所以必需符合国家法规,且在安全性、有效性方面符合临床要求。产品获得上市注册证是一个重要标志,只有获得上市注册证才能进入医疗市场。目前主流的是美国FDA、欧盟CE、中国CFDA这三个注册证。一个不含细胞的用于组织修复的3D打印产品从研发到上市,大致需要5到6年时间。而含活细胞的3D打印产品,由于各方面的原因,尚不能估计上市时间。虽然时间很长,也不能停止在这方面的创新和研究。目前已经上市的生物3D打印产品有:具有骨小梁结构的髋臼杯、全钛椎体融合器、3D打印颅骨产品、3D打印面骨产品等。目前上市的产品均为不可降解产品(第二层次),尚无可降解产品(第三层次)。

3D打印脑膜组织修复支架-睿膜,是全球首个3D打印的软组织产品。其微观结构最接近自体脑膜,临床效果好于已往的人工脑膜产品。 十、生物3D打印技术发展路线图 生物3D打印技术的发展路线是从纳米、微米、厘米到分米级别。纳米级别即生物分子的打印包括蛋白、DNA等的打印都已经实现了。微米级别指细胞的打印,也已经实现了。厘米级别指神经、血管、组织等,尚未实现,还处于研发阶段。分米级别指心、肝、肾等器官,将是我们最终的目标。

通过整个行业的努力,以及与临床医生、生物学家等多专业专家的合作,相信通过3D打印这种先进的制造手段,一定能够实现人类的科学梦。

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