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迷之打印:全方位解讀生物3D打印產(chǎn)業(yè)

放大字體??縮小字體 發(fā)布日期:2016-08-31??來源:互聯(lián)網(wǎng)??作者:紙引未來
核心提示:
訊:3D生物打印是一個(gè)非常交叉和融合的學(xué)科,它集合了機(jī)械、材料、細(xì)胞等多種相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù),是一種利用3D增材制造原理,利用生物材料、生長因子、細(xì)胞等活性材料,以重建人體組織和器官為目標(biāo)的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學(xué)工程技術(shù)。
   
  組織醫(yī)學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展歷史
   
  80年代組織工程的興起以及干細(xì)胞引入的再生醫(yī)學(xué)技術(shù),讓人們看到了解決器官缺損的希望。20世紀(jì)以后,越來越多的科學(xué)家加入到推進(jìn)再生醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展的行列中。到2010年,整個(gè)再生醫(yī)療產(chǎn)業(yè)逐步重構(gòu),迎來良性的發(fā)展。截至2014年,全球約有700多家組織工程和再生醫(yī)學(xué)相關(guān)的企業(yè),上市的有數(shù)百種醫(yī)學(xué)產(chǎn)品,主要應(yīng)用于皮膚、骨、心臟以及心血管疾病等領(lǐng)域,被認(rèn)為是非常有希望的一個(gè)行業(yè)。
      傳統(tǒng)組織工程
   
  傳統(tǒng)組織工程的方法主要有兩種:
   
  一種是使用生物相容性材料或者動物源性的材料。由于材料在功能以及制造方法上的局限性,修復(fù)和替代的效果往往存在缺陷,例如用脫細(xì)胞方法將牛的跟腱構(gòu)建成含有膠原的人工皮膚,由于是異體組織且并不含有修復(fù)和替代的活性物質(zhì),使得功效上有很大缺陷;
   
  另一種是將細(xì)胞種植在預(yù)先成型的支架上。由于植入細(xì)胞技術(shù)的分辨率和支架材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制,不能精確控制形成仿生組織的細(xì)胞的位置和分布情況,在穩(wěn)定性和尺寸上存在限制,嚴(yán)重阻礙了組織工程的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
   
  3D生物打印
   
  由于3D生物打印能精確控制材料、細(xì)胞的位置與分布,能夠個(gè)性化構(gòu)建組織工程產(chǎn)品,同時(shí)具有最大仿生性和最小排異性等特點(diǎn),解決了限制大規(guī)模生產(chǎn)的問題,在穩(wěn)定性、速度和成本上都優(yōu)于傳統(tǒng)組織工程方法,因此在臨床上有更廣泛的應(yīng)用前景。
   
  3D打印在醫(yī)療上的發(fā)展和應(yīng)用大概分為四個(gè)層次:
   
  沒有生物相容性的材料,用于如醫(yī)療模型和體外醫(yī)療器械等;
   
  有生物相容性要求,要進(jìn)入人體,但是不能降解,如陶瓷等,屬于永久植入的概念;
   
  材料可降解,也可刺激人體自身修復(fù),但不能夠突破自身修復(fù)的限制;
   
  以活性細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)等為材料,以細(xì)胞為介入單元,是真正現(xiàn)代意義上的3D生物打印。
   
  3D生物打印技術(shù)三要素
   
  3D生物打印的典型步驟是首先利用醫(yī)學(xué)影像(CT或MR)進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入,然后利用計(jì)算機(jī)的各種算法輔助解析病人數(shù)據(jù),輸出各種打印所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并呈遞給打印機(jī),利用細(xì)胞、天然材料等完成打印,整個(gè)過程還包括打印之后的成熟過程。
   
  3D生物打印的技術(shù)要素為材料、打印系統(tǒng)(軟件)以及成熟體系。
   
  3D生物打印機(jī):
   
  3D生物打印機(jī)有兩種設(shè)計(jì)理念:原位打印機(jī),即直接在人體使用部位打印的技術(shù),如用于皮膚燒傷治療的皮膚原位打印機(jī);另一種是非原位打印機(jī),用于制造設(shè)備裝置。根據(jù)3D打印模式(噴頭),可以將打印機(jī)分成三類:
   
  Inkjetbioprinter:利用熱噴墨或者壓電式脈沖產(chǎn)生壓力,成本較低,分辨率較好;
   
  Micoextrusionbioprinter:形式多樣,可以利用氣動、活塞或者螺桿擠壓的連續(xù)擠出方式來實(shí)現(xiàn)打印,兼容材料多、分辨率范圍較廣、對細(xì)胞的活性損傷較少,對細(xì)胞的兼容較廣,應(yīng)用相對廣泛,分辨率相對其他兩種模式較低;
   
  Laser-assistedbioprinter:通過激光輔助使得聚焦在吸收機(jī)片上的激光將打印材料推到集熱器上實(shí)現(xiàn)打印,分辨力較高,成本高。
   
  打印材料的要求:
   
  可打印性、穩(wěn)定性、交聯(lián)方便,體積變化小,容易運(yùn)輸、裝配、操作,以及良好的生物相容性和細(xì)胞相容性,不能對人體產(chǎn)生系統(tǒng)性傷害。目前,經(jīng)批準(zhǔn)臨床上可使用的材料主要是天然聚合物(用于形成細(xì)胞水凝膠),除此之外還有一些合成多聚物、高分子可降解材料等。
   
  細(xì)胞材料的要求:
   
  細(xì)胞容易得到并且能夠大量擴(kuò)增;
   
  沒有或者很低的免疫原性;
   
  較高的純度或者單一的分化方向。
   
  生物反應(yīng)器:
   
  生物反應(yīng)器對于臨床的可用性發(fā)展非常重要。打印出的前體物質(zhì)需要在生物反應(yīng)器中經(jīng)過成熟、增殖和培養(yǎng)過程。生物反應(yīng)器不同于細(xì)胞培養(yǎng),當(dāng)打印物的體積較大時(shí),其存在的缺氧問題需要解決,如發(fā)明能夠釋放氧氣的納米材料;對于特定組織,細(xì)胞需要的一些特定刺激才能成熟,如周期性拉伸能促進(jìn)心肌細(xì)胞的成熟,這也是生物反應(yīng)器需要解決的問題。
   
  3D生物打印植入物發(fā)展方向趨勢
   
  據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,在應(yīng)用領(lǐng)域中組織工程領(lǐng)域發(fā)表文章最多,從研究領(lǐng)域的打印方式來說,微擠出、微流控、激光輔助等技術(shù)也非常熱門;從專利申請方面來看,3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用突飛猛進(jìn),許多國際大公司都有相當(dāng)多的專利,產(chǎn)業(yè)布局主要集中于細(xì)胞水凝膠、打印構(gòu)建方法、機(jī)械設(shè)備以及生物反應(yīng)器等相關(guān)領(lǐng)域。
   
  3D生物打印技術(shù)的發(fā)展技術(shù)方向
   
  3D生物打印技術(shù)的發(fā)展趨勢,主要在以下幾個(gè)方面:
   
  生物打印技術(shù)上,材料對細(xì)胞的友好性、可相容性,材料交聯(lián)方法的集成,與軟件的結(jié)合以及在尺寸和應(yīng)用方面都需要突破;
   
  三要素方面,生物材料以及細(xì)胞的選擇的優(yōu)化;
   
  血管化對于復(fù)雜器官的打印必不可少,但目前生物打印還集中在簡單組織的研究上。
   
  3D生物打印三部曲
   
  目前,科學(xué)家已經(jīng)成功打印出血管、心臟瓣膜、肌肉、神經(jīng)以及皮膚等器官和組織。
   
  3D生物打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考
   
  要有全球視野,無論是對于產(chǎn)業(yè)鏈還是技術(shù)的分散度,3D生物打印行業(yè)具有廣泛的全球性;
   
  無論是市場需求還是產(chǎn)品研發(fā),都要不斷貼近臨床需求,從臨床需求出發(fā),更早介入到產(chǎn)品的研發(fā)以及商業(yè)模式的打磨;
   
  3D生物打印技術(shù)不僅是一門技術(shù),更是一種交叉科學(xué)和平臺性技術(shù),它的發(fā)展需要有很好的包容性,利用各種資源來實(shí)現(xiàn)在平臺上更好的融合。
   
  全球知名公司
   
  3D生物打印領(lǐng)域中較早起步的商業(yè)化公司是Organovo,該公司專注于開發(fā)商業(yè)化生物打印機(jī)以及打印生物類器官。Organovo與許多大公司合作,打印的類器官可用于藥物毒性評估和藥效篩選,這一創(chuàng)造極大地解決了在藥物開發(fā)中無法模擬體內(nèi)情況的困境。另外還有很多公司,如CollPlant、CYFUSI等等,都有自己所涉及的領(lǐng)域。中國也有很多技術(shù)前沿公司,例如諾普、藍(lán)光英諾、芥諾飛以及邁普再生等,希望大家都能一起來推動這個(gè)領(lǐng)域向前發(fā)展。
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