3D打印技術(shù)：已逐漸從制造業(yè)轉(zhuǎn)向生物領(lǐng)域
發(fā)布時(shí)間：2024-07-21 點(diǎn)擊：95
近日，青島尤尼科技公司宣布已研制出可同時(shí)打印多種細(xì)胞及生物支架的生物3d打印機(jī)，其細(xì)胞成活率為92%。3d打印技術(shù)，已逐漸從制造業(yè)轉(zhuǎn)向生物領(lǐng)域。
“未來(lái)我們努力的方向是打印多細(xì)胞活體器官。”尤尼科技公司副總經(jīng)理陳靜在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。
用機(jī)器打印活生生的器官，看上去匪夷所思的技術(shù)到底有多“神秘”?
從打印“死的”到“活的”
下頜骨、牙齒、耳朵……清華大學(xué)生物制造中心副主任林峰的辦公室擺放的許多模型都來(lái)自真實(shí)的患者。“這些模型都是用3d打印機(jī)根據(jù)病人的ct打印出來(lái)的。”林峰說(shuō)，“其實(shí)，細(xì)胞打印并不"神秘"，但要打印出活體器官，還有很多挑戰(zhàn)。”
根據(jù)打印材料、生物學(xué)性能和應(yīng)用情況，生物3d打印包括四個(gè)層次。
“第一個(gè)層次是用普通的工程材料，打印出體外的個(gè)性化模型，給醫(yī)生用于診斷、交流或設(shè)計(jì)手術(shù)治療方案。”林峰拿起一個(gè)淺黃色的下頜骨模型指點(diǎn)著說(shuō)，“這是一位病人的下頜骨。如果醫(yī)生要在這里打個(gè)釘子，就可以根據(jù)病人的ct圖像在計(jì)算機(jī)中重建出病人的下頜骨模型并打印出來(lái)，醫(yī)生還可以在模型上規(guī)劃好打孔的位置、角度和深度，設(shè)計(jì)出能夠輔助手術(shù)的導(dǎo)板，再利用三維打印制作出導(dǎo)板，用于手術(shù)過(guò)程中，從而提高手術(shù)的正確性。”
第二個(gè)層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身體里的植入器件，替代受損部位。“比方說(shuō)根據(jù)病人這側(cè)耳朵建立一個(gè)耳朵數(shù)字模型，用聚氨酯彈性體三維打印出另一側(cè)的耳朵模型，然后植入病人的皮下進(jìn)行縫合。”
第三個(gè)層次用的是可降解材料，為組織再生打印出含有豐富孔隙的支架，接種細(xì)胞后，進(jìn)行體外或體內(nèi)的培養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)缺損組織的再生和修復(fù)。
第四個(gè)層次與前三個(gè)層次不同，是用活生生的細(xì)胞進(jìn)行三維打印，打印出模擬組織三維結(jié)構(gòu)的細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)或類(lèi)組織。
“在此基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)器官打印，還要克服很多困難。”林峰說(shuō)，“打印有生命的東西，聽(tīng)上去很有"炫"，但如果將細(xì)胞看作一種打印的"墨水"，就不顯得那么神秘了。”
技術(shù)怎么用
1998年，西安交通大學(xué)教授李滌塵成為國(guó)內(nèi)最早研究生物3d打印技術(shù)者之一。
“我們當(dāng)時(shí)最重視的問(wèn)題就是"我們的技術(shù)怎么用""我們的用戶(hù)在哪里"。”李滌塵說(shuō)，在一次去第四軍醫(yī)大學(xué)探訪時(shí)，骨骼陳列室里各類(lèi)骨骼組織上那些“至關(guān)重要的小洞”讓他突發(fā)靈感—用生物3d打印技術(shù)做個(gè)性化的骨骼金屬替代物。
2001年10月，第一例個(gè)性化鈦合金下頜骨的制作和移植修復(fù)工作完成。如今，這樣的案例已經(jīng)增加到100多例。
此外，李滌塵還在探索用可降解的生物陶瓷打印骨組織，移植到患者體內(nèi)后能夠逐漸引導(dǎo)患者長(zhǎng)出自己的骨骼。
“這個(gè)已經(jīng)用于羊和狗的動(dòng)物試驗(yàn)，效果還不錯(cuò)，正在等待審批。”李滌塵說(shuō)。
清華大學(xué)生物制造中心則在嘗試將生物3d技術(shù)用于再生醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和抗癌藥物研究中。“這是打印出的具有三維結(jié)構(gòu)的癌組織。”該中心助理研究員姚睿指著圖片告訴記者，“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中將三維生長(zhǎng)的癌細(xì)胞與二維生長(zhǎng)的癌細(xì)胞作對(duì)比。經(jīng)過(guò)8天時(shí)間，三維培養(yǎng)的癌細(xì)胞長(zhǎng)成了細(xì)胞球，二維培養(yǎng)的癌細(xì)胞都平趴著。接著我們加入抗癌藥物紫杉醇。很快，二維培養(yǎng)的癌細(xì)胞就都死了，而三維培養(yǎng)的只有部分癌細(xì)胞死亡，細(xì)胞球存活下來(lái)了。”
姚睿解釋道，由于三維的情況與人體內(nèi)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)環(huán)境更為相近，因此能更加客觀地檢測(cè)藥物的抗癌作用。
難度較大的轉(zhuǎn)向
目前，生物3d打印技術(shù)還面臨著諸多挑戰(zhàn)。最直接的問(wèn)題是，如何讓打印出的細(xì)胞結(jié)構(gòu)具備生物功能。
“這是我們最感興趣，也是最具挑戰(zhàn)性的。目前，國(guó)內(nèi)外打印出了類(lèi)組織，只有組織相似的結(jié)構(gòu)，但不具備組織的功能。”林峰說(shuō)，“即使是看起來(lái)簡(jiǎn)單的組織，人工再造也面臨巨大挑戰(zhàn)。比如，皮膚是很薄的一層，但功能很多，除保護(hù)功能外，還有感覺(jué)、調(diào)溫、出汗等功能。我們正在考慮往人工皮膚組織里打印一些特殊的細(xì)胞，讓它長(zhǎng)出毛囊、皮腺。”
在李滌塵看來(lái)，從第一層次到第四層次，技術(shù)重點(diǎn)逐漸從對(duì)外型結(jié)構(gòu)的研究轉(zhuǎn)向?qū)?xì)胞自身行為的研究。
“要讓打出來(lái)的細(xì)胞能夠存活，并建立起自己的營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)。”李滌塵補(bǔ)充說(shuō)，“但這實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度很大，至少得要一二十年時(shí)間。”
林峰直言，作為交叉學(xué)科，生物3d打印技術(shù)也亟須與不同學(xué)科進(jìn)行交叉合作，目前高校的行政管理體制和考核機(jī)制無(wú)法提供一個(gè)開(kāi)放的學(xué)科交叉環(huán)境。
此外，審批也讓研究者頭疼。“藥監(jiān)部門(mén)批準(zhǔn)的產(chǎn)品都用于批量生產(chǎn)，可是生物3d打印做的是個(gè)性化產(chǎn)品，藥監(jiān)部門(mén)未曾遇到過(guò)的，怎么對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估、審批都是問(wèn)題。”李滌塵認(rèn)為，對(duì)于已經(jīng)成熟的技術(shù)，在保證客觀安全的同時(shí)，產(chǎn)業(yè)化步伐要加快，監(jiān)管水平也要提高。
數(shù)字印刷的崛起使傳統(tǒng)印刷岌岌可危
彩色數(shù)碼印刷成涂布紙市場(chǎng)發(fā)展的有力推動(dòng)者
數(shù)碼印刷未來(lái)主要應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？
淺析印版前規(guī)尺寸的定位
綠色印刷國(guó)外實(shí)施情況調(diào)查報(bào)告
2017iDigital數(shù)字印刷主題公園呈5大亮點(diǎn)
未來(lái)印刷業(yè)的發(fā)展將離不開(kāi)3D打印
2012年數(shù)字印刷市場(chǎng)將繼續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)
“未來(lái)我們努力的方向是打印多細(xì)胞活體器官。”尤尼科技公司副總經(jīng)理陳靜在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。
用機(jī)器打印活生生的器官，看上去匪夷所思的技術(shù)到底有多“神秘”?
從打印“死的”到“活的”
下頜骨、牙齒、耳朵……清華大學(xué)生物制造中心副主任林峰的辦公室擺放的許多模型都來(lái)自真實(shí)的患者。“這些模型都是用3d打印機(jī)根據(jù)病人的ct打印出來(lái)的。”林峰說(shuō)，“其實(shí)，細(xì)胞打印并不"神秘"，但要打印出活體器官，還有很多挑戰(zhàn)。”
根據(jù)打印材料、生物學(xué)性能和應(yīng)用情況，生物3d打印包括四個(gè)層次。
“第一個(gè)層次是用普通的工程材料，打印出體外的個(gè)性化模型，給醫(yī)生用于診斷、交流或設(shè)計(jì)手術(shù)治療方案。”林峰拿起一個(gè)淺黃色的下頜骨模型指點(diǎn)著說(shuō)，“這是一位病人的下頜骨。如果醫(yī)生要在這里打個(gè)釘子，就可以根據(jù)病人的ct圖像在計(jì)算機(jī)中重建出病人的下頜骨模型并打印出來(lái)，醫(yī)生還可以在模型上規(guī)劃好打孔的位置、角度和深度，設(shè)計(jì)出能夠輔助手術(shù)的導(dǎo)板，再利用三維打印制作出導(dǎo)板，用于手術(shù)過(guò)程中，從而提高手術(shù)的正確性。”
第二個(gè)層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身體里的植入器件，替代受損部位。“比方說(shuō)根據(jù)病人這側(cè)耳朵建立一個(gè)耳朵數(shù)字模型，用聚氨酯彈性體三維打印出另一側(cè)的耳朵模型，然后植入病人的皮下進(jìn)行縫合。”
第三個(gè)層次用的是可降解材料，為組織再生打印出含有豐富孔隙的支架，接種細(xì)胞后，進(jìn)行體外或體內(nèi)的培養(yǎng)，以實(shí)現(xiàn)缺損組織的再生和修復(fù)。
第四個(gè)層次與前三個(gè)層次不同，是用活生生的細(xì)胞進(jìn)行三維打印，打印出模擬組織三維結(jié)構(gòu)的細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)或類(lèi)組織。
“在此基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)器官打印，還要克服很多困難。”林峰說(shuō)，“打印有生命的東西，聽(tīng)上去很有"炫"，但如果將細(xì)胞看作一種打印的"墨水"，就不顯得那么神秘了。”
技術(shù)怎么用
1998年，西安交通大學(xué)教授李滌塵成為國(guó)內(nèi)最早研究生物3d打印技術(shù)者之一。
“我們當(dāng)時(shí)最重視的問(wèn)題就是"我們的技術(shù)怎么用""我們的用戶(hù)在哪里"。”李滌塵說(shuō)，在一次去第四軍醫(yī)大學(xué)探訪時(shí)，骨骼陳列室里各類(lèi)骨骼組織上那些“至關(guān)重要的小洞”讓他突發(fā)靈感—用生物3d打印技術(shù)做個(gè)性化的骨骼金屬替代物。
2001年10月，第一例個(gè)性化鈦合金下頜骨的制作和移植修復(fù)工作完成。如今，這樣的案例已經(jīng)增加到100多例。
此外，李滌塵還在探索用可降解的生物陶瓷打印骨組織，移植到患者體內(nèi)后能夠逐漸引導(dǎo)患者長(zhǎng)出自己的骨骼。
“這個(gè)已經(jīng)用于羊和狗的動(dòng)物試驗(yàn)，效果還不錯(cuò)，正在等待審批。”李滌塵說(shuō)。
清華大學(xué)生物制造中心則在嘗試將生物3d技術(shù)用于再生醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和抗癌藥物研究中。“這是打印出的具有三維結(jié)構(gòu)的癌組織。”該中心助理研究員姚睿指著圖片告訴記者，“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中將三維生長(zhǎng)的癌細(xì)胞與二維生長(zhǎng)的癌細(xì)胞作對(duì)比。經(jīng)過(guò)8天時(shí)間，三維培養(yǎng)的癌細(xì)胞長(zhǎng)成了細(xì)胞球，二維培養(yǎng)的癌細(xì)胞都平趴著。接著我們加入抗癌藥物紫杉醇。很快，二維培養(yǎng)的癌細(xì)胞就都死了，而三維培養(yǎng)的只有部分癌細(xì)胞死亡，細(xì)胞球存活下來(lái)了。”
姚睿解釋道，由于三維的情況與人體內(nèi)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)環(huán)境更為相近，因此能更加客觀地檢測(cè)藥物的抗癌作用。
難度較大的轉(zhuǎn)向
目前，生物3d打印技術(shù)還面臨著諸多挑戰(zhàn)。最直接的問(wèn)題是，如何讓打印出的細(xì)胞結(jié)構(gòu)具備生物功能。
“這是我們最感興趣，也是最具挑戰(zhàn)性的。目前，國(guó)內(nèi)外打印出了類(lèi)組織，只有組織相似的結(jié)構(gòu)，但不具備組織的功能。”林峰說(shuō)，“即使是看起來(lái)簡(jiǎn)單的組織，人工再造也面臨巨大挑戰(zhàn)。比如，皮膚是很薄的一層，但功能很多，除保護(hù)功能外，還有感覺(jué)、調(diào)溫、出汗等功能。我們正在考慮往人工皮膚組織里打印一些特殊的細(xì)胞，讓它長(zhǎng)出毛囊、皮腺。”
在李滌塵看來(lái)，從第一層次到第四層次，技術(shù)重點(diǎn)逐漸從對(duì)外型結(jié)構(gòu)的研究轉(zhuǎn)向?qū)?xì)胞自身行為的研究。
“要讓打出來(lái)的細(xì)胞能夠存活，并建立起自己的營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)。”李滌塵補(bǔ)充說(shuō)，“但這實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度很大，至少得要一二十年時(shí)間。”
林峰直言，作為交叉學(xué)科，生物3d打印技術(shù)也亟須與不同學(xué)科進(jìn)行交叉合作，目前高校的行政管理體制和考核機(jī)制無(wú)法提供一個(gè)開(kāi)放的學(xué)科交叉環(huán)境。
此外，審批也讓研究者頭疼。“藥監(jiān)部門(mén)批準(zhǔn)的產(chǎn)品都用于批量生產(chǎn)，可是生物3d打印做的是個(gè)性化產(chǎn)品，藥監(jiān)部門(mén)未曾遇到過(guò)的，怎么對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估、審批都是問(wèn)題。”李滌塵認(rèn)為，對(duì)于已經(jīng)成熟的技術(shù)，在保證客觀安全的同時(shí)，產(chǎn)業(yè)化步伐要加快，監(jiān)管水平也要提高。
數(shù)字印刷的崛起使傳統(tǒng)印刷岌岌可危
彩色數(shù)碼印刷成涂布紙市場(chǎng)發(fā)展的有力推動(dòng)者
數(shù)碼印刷未來(lái)主要應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？
淺析印版前規(guī)尺寸的定位
綠色印刷國(guó)外實(shí)施情況調(diào)查報(bào)告
2017iDigital數(shù)字印刷主題公園呈5大亮點(diǎn)
未來(lái)印刷業(yè)的發(fā)展將離不開(kāi)3D打印
2012年數(shù)字印刷市場(chǎng)將繼續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)