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生物3D打印时代渐近 七大超级技术解析

2016-02-26 09:38
科技那回事
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  6.全球首例3D生物打印机问世

  如今,在3D打印生物领域取得了大量的科研突破,这些突破将使得我们在未来数年内实现3D打印器官和组织的前景越来越清晰,从而最终取代人体器官移植的应用,让更多的病患者不再因为一时找不到合适的替代器官而痛苦。其实,3D生物打印离我们并不遥远,不仅在国外大放异彩,在国内也是摸得着看得见的。

  央视新闻频道报道的全球首台3D血管打印机(图源:央视《朝闻天下》截图)

  蓝光英诺全球首款生物血管3D打印机发布会现场

  据央视2015年10月26日报道,我国863计划之一的3D打印血管已经获得重大突破,世界首创的3D生物血管打印机由四川蓝光英诺生物科技有限公司成功研制。据介绍,该款血管打印机性能先进,仅仅2分钟便打出10厘米长的血管。

  中国四川RevoTek蓝光英诺3D生物打印机,2分钟可造出10厘米长的血管

  与市面上现有的3D生物打印机不同的是,3D生物血管打印机可以打印出血管独有的中空结构、多层不同种类细胞。两者的根本区别在于活性,即3D生物打印是打印出含有细胞成分并具有生物活性的产品。蓝光英诺开发的这款3D生物打印机,两个喷头源源不断地喷出由“生物砖”组成的生物墨汁,打印出一根10厘米长的血管,仅需要2分钟。

  蓝光英诺开发的3D生物打印机全貌

  蓝光英诺首席科学家康裕建描述了血管打印的过程:首先是内皮细胞,最后是成纤维细胞,每一层用到的生物墨汁都不一样,富含的营养成分也不同,通过打印杆上一层特殊的冷凝材料、滋养每个细胞层的打印过程……当环境温度在0—4摄氏度之间时,就可以形成3D生物打印血管的雏形了;当周边环境逐步提升到常温,冷凝材料从已塑形的打印血管内剥落;打印血管也将置于营养液环境中,慢慢拥有活性,直到可以与其他器官、组织“自然结合”……

  3D生物血管打印的核心技术:生物砖(Biosynsphere)

  3D生物血管打印的核心技术是生物砖(Biosynsphere),生物砖并不是砖块,也不是方方正正的形状,而是一种新型的、精准的、具有仿生功能的干细胞培养体系。它可以利用含种子细胞、生长因子和营养成分的“生物墨汁”,结合其他材料层层“打印”出具有生物活性的产品,再经过培育处理,形成具有生理功能的组织结构。

  7. 3D生物打印技术、审批困境

  目前的3D生物打印技术除了能够打印部分人体器官之外,还能打印出血管组织,但我们依旧有很多疑问:打印出的这些器官组织具备生物活性吗?是否具有跟自然器官一样的功能?这些器官组织能否解决血管内皮化、血管堵塞等问题?

  虽然打印人体器官在目前看来不是难事,但一个不可否认的事实就是:当3D打印的器官放置于人体以后,如何与人体真正的细胞相融合,而且如何发挥出真正器官的功效?到目前为止,在3D打印器官方面,出现了很多“半成功”的案例,我们之所以说“半成功”,是因为它们大多数都无法正常工作,或者仅仅只能存活几天时间,如何克服存活难题将是3D生物打印技术核心的问题之一。

  3D打印血管(图源:baidu)

  国内相关领域的专家们认为,3D生物打印一般分为四个层次:第一个层次是用普通的工程材料,打印出体外的个性化模型,方便医生用于诊断、交流或者设计手术方案。第二个层次是用生物相容性良好、不可降解的材料,打印出可以移植到病人体内的植入器件,替代受损部位。第三个层次是用可降解材料,为组织再生打印出含有丰富空隙的支架,接种细胞以后,进行体外或者体内的培养,以实现缺陷组织的再生和修复。第四个层次,是用活生生的细胞进行三维打印,打印出模拟组织三维结构的细胞三维结构或类组织。

  从第一层到第四层,技术重点逐渐从对外型结构的研究转向对细胞自身行为的研究,要让打印出来的细胞能够存活并建立自己的营养系统,至少需要一二十年的时间。而技术成熟之后,监管审批也有难关。我们都知道,药监部门批准的产品都用于批量生产,而生物3D打印做的是个性化产品,因此,对3D生物打印产品进行评估、审批是面临的一大难题。试想,不经过国家食品药品监督管理总局(CFDA)批准的3D打印器官组织,就算被成功打印出来,又有哪家医院敢用呢?

  国家食品药品监督管理总局(CFDA)

  监管审批是目前3D打印器官组织走向应用的一大难题

  目前,国内外打印出的类组织,只是组织结构相似,不具备组织的功能,因为即使是看起来简单的组织,人工再造也面临着巨大挑战。就拿皮肤来说,看起来薄薄的一层,但其功能很多,除了保护身体功能之外,还有感觉、调温、出汗等功能,如果打印出来的皮肤不具备这些功能也是不行的。

  从全球来看,生物3D打印的前景比较广阔,目前生物3D打印技术已经在主动脉瓣、种植手术导板、人工下颚等领域得到应用。但是,人体是一个复杂的系统,无数细胞每天在以我们不能充分理解的神秘方式生长、愈合和变化,我们还没有解码细胞之间是如何传递的,尽管科学研究可以将细胞以完美的形状放在支架上的正确位置,但是仍然没有人准确地知道如何“启动”种子细胞,现有的3D生物打印只是刚刚开了个头,未来3D生物打印技术的道路还有很长的一段路要走。

 

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