3D打印技術：已逐漸從制造業轉向生物領域
發布時間：2024-07-21 點擊：99
近日，青島尤尼科技公司宣布已研制出可同時打印多種細胞及生物支架的生物3d打印機，其細胞成活率為92%。3d打印技術，已逐漸從制造業轉向生物領域。
“未來我們努力的方向是打印多細胞活體器官。”尤尼科技公司副總經理陳靜在接受《中國科學報》采訪時說。
用機器打印活生生的器官，看上去匪夷所思的技術到底有多“神秘”?
從打印“死的”到“活的”
下頜骨、牙齒、耳朵……清華大學生物制造中心副主任林峰的辦公室擺放的許多模型都來自真實的患者。“這些模型都是用3d打印機根據病人的ct打印出來的。”林峰說，“其實，細胞打印并不"神秘"，但要打印出活體器官，還有很多挑戰。”
根據打印材料、生物學性能和應用情況，生物3d打印包括四個層次。
“第一個層次是用普通的工程材料，打印出體外的個性化模型，給醫生用于診斷、交流或設計手術治療方案。”林峰拿起一個淺黃色的下頜骨模型指點著說，“這是一位病人的下頜骨。如果醫生要在這里打個釘子，就可以根據病人的ct圖像在計算機中重建出病人的下頜骨模型并打印出來，醫生還可以在模型上規劃好打孔的位置、角度和深度，設計出能夠輔助手術的導板，再利用三維打印制作出導板，用于手術過程中，從而提高手術的正確性。”
第二個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。“比方說根據病人這側耳朵建立一個耳朵數字模型，用聚氨酯彈性體三維打印出另一側的耳朵模型，然后植入病人的皮下進行縫合。”
第三個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，接種細胞后，進行體外或體內的培養，以實現缺損組織的再生和修復。
第四個層次與前三個層次不同，是用活生生的細胞進行三維打印，打印出模擬組織三維結構的細胞三維結構或類組織。
“在此基礎上，要實現器官打印，還要克服很多困難。”林峰說，“打印有生命的東西，聽上去很有"炫"，但如果將細胞看作一種打印的"墨水"，就不顯得那么神秘了。”
技術怎么用
1998年，西安交通大學教授李滌塵成為國內最早研究生物3d打印技術者之一。
“我們當時最重視的問題就是"我們的技術怎么用""我們的用戶在哪里"。”李滌塵說，在一次去第四軍醫大學探訪時，骨骼陳列室里各類骨骼組織上那些“至關重要的小洞”讓他突發靈感—用生物3d打印技術做個性化的骨骼金屬替代物。
2001年10月，第一例個性化鈦合金下頜骨的制作和移植修復工作完成。如今，這樣的案例已經增加到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，移植到患者體內后能夠逐漸引導患者長出自己的骨骼。
“這個已經用于羊和狗的動物試驗，效果還不錯，正在等待審批。”李滌塵說。
清華大學生物制造中心則在嘗試將生物3d技術用于再生醫學、生物學和抗癌藥物研究中。“這是打印出的具有三維結構的癌組織。”該中心助理研究員姚睿指著圖片告訴記者，“我們在實驗中將三維生長的癌細胞與二維生長的癌細胞作對比。經過8天時間，三維培養的癌細胞長成了細胞球，二維培養的癌細胞都平趴著。接著我們加入抗癌藥物紫杉醇。很快，二維培養的癌細胞就都死了，而三維培養的只有部分癌細胞死亡，細胞球存活下來了。”
姚睿解釋道，由于三維的情況與人體內癌細胞的生長環境更為相近，因此能更加客觀地檢測藥物的抗癌作用。
難度較大的轉向
目前，生物3d打印技術還面臨著諸多挑戰。最直接的問題是，如何讓打印出的細胞結構具備生物功能。
“這是我們最感興趣，也是最具挑戰性的。目前，國內外打印出了類組織，只有組織相似的結構，但不具備組織的功能。”林峰說，“即使是看起來簡單的組織，人工再造也面臨巨大挑戰。比如，皮膚是很薄的一層，但功能很多，除保護功能外，還有感覺、調溫、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胞，讓它長出毛囊、皮腺。”
在李滌塵看來，從第一層次到第四層次，技術重點逐漸從對外型結構的研究轉向對細胞自身行為的研究。
“要讓打出來的細胞能夠存活，并建立起自己的營養系統。”李滌塵補充說，“但這實現起來難度很大，至少得要一二十年時間。”
林峰直言，作為交叉學科，生物3d打印技術也亟須與不同學科進行交叉合作，目前高校的行政管理體制和考核機制無法提供一個開放的學科交叉環境。
此外，審批也讓研究者頭疼。“藥監部門批準的產品都用于批量生產，可是生物3d打印做的是個性化產品，藥監部門未曾遇到過的，怎么對產品進行評估、審批都是問題。”李滌塵認為，對于已經成熟的技術，在保證客觀安全的同時，產業化步伐要加快，監管水平也要提高。
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用機器打印活生生的器官，看上去匪夷所思的技術到底有多“神秘”?
從打印“死的”到“活的”
下頜骨、牙齒、耳朵……清華大學生物制造中心副主任林峰的辦公室擺放的許多模型都來自真實的患者。“這些模型都是用3d打印機根據病人的ct打印出來的。”林峰說，“其實，細胞打印并不"神秘"，但要打印出活體器官，還有很多挑戰。”
根據打印材料、生物學性能和應用情況，生物3d打印包括四個層次。
“第一個層次是用普通的工程材料，打印出體外的個性化模型，給醫生用于診斷、交流或設計手術治療方案。”林峰拿起一個淺黃色的下頜骨模型指點著說，“這是一位病人的下頜骨。如果醫生要在這里打個釘子，就可以根據病人的ct圖像在計算機中重建出病人的下頜骨模型并打印出來，醫生還可以在模型上規劃好打孔的位置、角度和深度，設計出能夠輔助手術的導板，再利用三維打印制作出導板，用于手術過程中，從而提高手術的正確性。”
第二個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。“比方說根據病人這側耳朵建立一個耳朵數字模型，用聚氨酯彈性體三維打印出另一側的耳朵模型，然后植入病人的皮下進行縫合。”
第三個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，接種細胞后，進行體外或體內的培養，以實現缺損組織的再生和修復。
第四個層次與前三個層次不同，是用活生生的細胞進行三維打印，打印出模擬組織三維結構的細胞三維結構或類組織。
“在此基礎上，要實現器官打印，還要克服很多困難。”林峰說，“打印有生命的東西，聽上去很有"炫"，但如果將細胞看作一種打印的"墨水"，就不顯得那么神秘了。”
技術怎么用
1998年，西安交通大學教授李滌塵成為國內最早研究生物3d打印技術者之一。
“我們當時最重視的問題就是"我們的技術怎么用""我們的用戶在哪里"。”李滌塵說，在一次去第四軍醫大學探訪時，骨骼陳列室里各類骨骼組織上那些“至關重要的小洞”讓他突發靈感—用生物3d打印技術做個性化的骨骼金屬替代物。
2001年10月，第一例個性化鈦合金下頜骨的制作和移植修復工作完成。如今，這樣的案例已經增加到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，移植到患者體內后能夠逐漸引導患者長出自己的骨骼。
“這個已經用于羊和狗的動物試驗，效果還不錯，正在等待審批。”李滌塵說。
清華大學生物制造中心則在嘗試將生物3d技術用于再生醫學、生物學和抗癌藥物研究中。“這是打印出的具有三維結構的癌組織。”該中心助理研究員姚睿指著圖片告訴記者，“我們在實驗中將三維生長的癌細胞與二維生長的癌細胞作對比。經過8天時間，三維培養的癌細胞長成了細胞球，二維培養的癌細胞都平趴著。接著我們加入抗癌藥物紫杉醇。很快，二維培養的癌細胞就都死了，而三維培養的只有部分癌細胞死亡，細胞球存活下來了。”
姚睿解釋道，由于三維的情況與人體內癌細胞的生長環境更為相近，因此能更加客觀地檢測藥物的抗癌作用。
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“這是我們最感興趣，也是最具挑戰性的。目前，國內外打印出了類組織，只有組織相似的結構，但不具備組織的功能。”林峰說，“即使是看起來簡單的組織，人工再造也面臨巨大挑戰。比如，皮膚是很薄的一層，但功能很多，除保護功能外，還有感覺、調溫、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胞，讓它長出毛囊、皮腺。”
在李滌塵看來，從第一層次到第四層次，技術重點逐漸從對外型結構的研究轉向對細胞自身行為的研究。
“要讓打出來的細胞能夠存活，并建立起自己的營養系統。”李滌塵補充說，“但這實現起來難度很大，至少得要一二十年時間。”
林峰直言，作為交叉學科，生物3d打印技術也亟須與不同學科進行交叉合作，目前高校的行政管理體制和考核機制無法提供一個開放的學科交叉環境。
此外，審批也讓研究者頭疼。“藥監部門批準的產品都用于批量生產，可是生物3d打印做的是個性化產品，藥監部門未曾遇到過的，怎么對產品進行評估、審批都是問題。”李滌塵認為，對于已經成熟的技術，在保證客觀安全的同時，產業化步伐要加快，監管水平也要提高。
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