【解讀】3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

從2016年11月至今,，3d打印圈子內(nèi)就不斷的有藍(lán)光英諾的新聞爆料,，2016年12月初,，南極熊披露藍(lán)光英諾將進(jìn)行血管3D打印成果發(fā)布會(huì)之后,，藍(lán)光發(fā)展股票停牌,，就在2017年大年初九宣布，力爭2017年啟動(dòng)臨床植入人體,。3D打印起源于20世紀(jì)80年代,，近年來發(fā)展迅猛，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”,。生物3D打印是3D打印的一個(gè)分支,，目前正在國內(nèi)外掀起新一輪研究熱潮。下面我們對生物3D打印作一個(gè)簡要介紹,。

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“打印機(jī)”為手段，以加工活性材料包括細(xì)胞,、生長因子,、生物材料等為主要內(nèi)容，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),。它代表了目前3D打印技術(shù)的最高水平之一,。

二、生物3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程
從1995年出現(xiàn)以來,，生物3D打印技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)層次,。第一層次：打印出的產(chǎn)品不進(jìn)入人體，主要包括一些體外使用的醫(yī)學(xué)模型,、醫(yī)療器械,，對使用的材料沒有生物相容性的要求；
第二層次：使用的材料具有良好的生物相容性但是不能被降解,，產(chǎn)品植入人體后成為永久性植入物,；第三層次：使用的材料具有良好的生物相容性，而且能被降解,。產(chǎn)品植入人體后，可以與人體組織發(fā)生相互關(guān)系,，促進(jìn)組織的再生,；
第四層次：使用活細(xì)胞、蛋白及其他細(xì)胞外基質(zhì)作為材料,，打印出具有生物活性的產(chǎn)品,，最終目標(biāo)是制造出組織、器官,。

這是生物3D打印的最高層次,。 在現(xiàn)階段，第一到第三層次的技術(shù)發(fā)展已比較成熟,，已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用層面,。第一層次的應(yīng)用有神經(jīng)外科及脊柱外科的個(gè)性化手術(shù)模型、假肢等,。第二層次的應(yīng)用有個(gè)體化的永久植入物,，如假耳移植物、下頜骨移植物等,。2014年北醫(yī)三院通過3D技術(shù)打印出的椎體移植物,，也屬于這一類。第三層次采用可降解的生物相容性材料,，制作出仿生的 組織工程支架,。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用低溫沉積成形技術(shù),，制造出具有分級孔隙結(jié)構(gòu)的骨支架，最多可以做到4級孔隙,，有利于各種細(xì)胞的生長進(jìn)入,，處于 世界領(lǐng)先水平。


第四層次也被稱為“細(xì)胞打印”或“器官打印”,，是現(xiàn)代意義的生物3D打印,，相比較而言前三個(gè)層次可以被稱為“快速成型”。細(xì)胞打印概念于2000年由美國Clemson大學(xué)的ThomasBoland教授首先提出,，并于2003年首次成功實(shí)現(xiàn),。2004年該團(tuán)隊(duì)獲得一項(xiàng)細(xì)胞打印的專利，并授權(quán)給在納斯達(dá)克上市的Organovo公司,，該公司是目前國際上生物3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊,。由于筆者的博士導(dǎo)師就是Boland教授，筆者參與了其中的工作,，發(fā)表的論文受到廣泛的關(guān)注,。

三、生物3D打印的臨床需求和科學(xué)意義
在美國,，每1.5小時(shí)就有1例病人因?yàn)榈炔坏胶线m的器官移植而死亡,，每年有超過800萬例組織修復(fù)相關(guān)的手術(shù)。生物3D打印技術(shù)的目標(biāo)就是解決組織,、器官短缺的問題,。 人體是由多種細(xì)胞和基質(zhì)材料按特定方式有機(jī)組合而成，具有高度的復(fù)雜性,。組成人體的細(xì)胞有超過250種以上,，僅一個(gè)腎臟就包含有20多種細(xì)胞。軟骨組織是相對較簡單的組織,，細(xì)胞種類較少且沒有血管,、神經(jīng)支配。1994年科學(xué)家認(rèn)為組織工程技術(shù)可以解決器官再造的技術(shù),，當(dāng)時(shí)首選的目標(biāo)就是制造皮膚或軟骨組織,，但是至今沒有真正的成功。而生物3D打印技術(shù)可能是解決方法之一,。

四,、生物3D打印的實(shí)現(xiàn)
最早我們使用的是噴墨打印技術(shù)。噴墨打印機(jī)能夠快速地把細(xì)小的墨滴精確地打印到相應(yīng)的位置,。噴墨打印機(jī)的工作原理是：噴頭里有加熱元件,，將墨滴里面的水快速加熱到200℃，使水產(chǎn)生氣化,，將前面的墨滴噴出去,。我們將細(xì)胞混懸液灌入墨盒,，成功地實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞打印。 為什么200℃的高溫沒有殺死細(xì)胞,？

研究發(fā)現(xiàn),，噴墨的過程非常迅速，只需要20微秒,，熱量還來不及傳遞到墨滴,，墨滴就已經(jīng)被噴出去了。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn),，打印出的細(xì)胞可以達(dá)到95％以上存活率,。 細(xì)胞和基質(zhì)材料逐層打印，就可以達(dá)到3D打 印的目的,。噴墨打印機(jī)可以打出不同的顏色,，因此我們也可以打出不同的細(xì)胞。比如打印一個(gè)類似血管的結(jié)構(gòu),，可以把內(nèi)皮細(xì)胞打印到管壁內(nèi)層,，平滑肌細(xì)胞打印到管壁外層，這樣逐層打印,，可以得到一個(gè)和正常結(jié)構(gòu)類似的產(chǎn)品,。

五、工程及醫(yī)學(xué)科學(xué)的挑戰(zhàn)
首先,，由于操作對象是活細(xì)胞,，非常脆弱。打印是一個(gè)物理和機(jī)械的過程,，這就產(chǎn)生了打印后細(xì)胞能不能存活、會(huì)不會(huì)發(fā)育,、會(huì)不會(huì)產(chǎn)生變異甚至腫瘤化的問題,。

其次，生物仿生對制造精度及準(zhǔn)確性要求極高,，打印機(jī)能不能達(dá)到精度要求,，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
第三,，組織及器官是由多材料及多細(xì)胞組成的非均質(zhì)體系,，這對制造學(xué)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

六,、活細(xì)胞打印的部分實(shí)例
2003年,，我們將海馬細(xì)胞裝入墨盒，在世界上首次打印出一個(gè)細(xì)胞環(huán),。隨后我們還用活細(xì)菌打印出Clemson大學(xué)的名稱和標(biāo)志,。在精確度方面,，我們可以打印單個(gè)動(dòng)物細(xì)胞微球。在美國國家自然科學(xué)基金資助下,，我們研究了打印的物理機(jī)械過程對細(xì)胞的影響,，發(fā)現(xiàn)生物打印不影響細(xì)胞的存活、生長及正常生理功能,。我們還研究了細(xì)胞打印的最佳參數(shù)及條件,。

七、生物3D打印的應(yīng)用
生物3D打印由于其精度高,、便攜,，可用于戰(zhàn)場上快速進(jìn)行戰(zhàn)傷創(chuàng)面的修復(fù)。這個(gè)課題得到美國國防部的基金資助,。 我們用心肌細(xì)胞和生物材料模擬打印了動(dòng)物心臟,。發(fā)現(xiàn)打印出的細(xì)胞能夠有節(jié)奏地跳動(dòng)，提示打印出的器官可以具有一定的功能,。 我們還將羊水中提取的干細(xì)胞進(jìn)行3D打印,，并加入骨系分化因子，獲得了活性的骨組織,。此羊水干細(xì)胞技術(shù)被美國時(shí)代雜志評為2007年世界十大醫(yī)學(xué)突破之一,。 我們還做了生物打印大血管、微血管的研究,。

八,、生物3D打印技術(shù)的發(fā)展方向
首先，3D打印應(yīng)該定位于“替代性技術(shù)”,，是在傳統(tǒng)塑造手段不能完成的情況下使用,。而不能什么都打，不能為了打印而打印,。其次是如何產(chǎn)業(yè)化 的問題,，要做出產(chǎn)品而且有盈利，才能持續(xù)健康地發(fā)展下去,。

九,、生物3D打印的產(chǎn)業(yè)化
實(shí)驗(yàn)室成功不等于產(chǎn)業(yè)化成功。產(chǎn)業(yè)化是指從創(chuàng)新成果到形成一定規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化過程,。這是非常復(fù)雜的,。 對醫(yī)療產(chǎn)品來說，因?yàn)槭且獞?yīng)用于人體的,，所以必需符合國家法規(guī),，且在安全性、有效性方面符合臨床要求。產(chǎn)品獲得上市注冊證是一個(gè)重要標(biāo)志,，只有獲得上市注冊證才能進(jìn)入醫(yī)療市場,。目前主流的是美國FDA、歐盟CE,、中國CFDA這三個(gè)注冊證,。一個(gè)不含細(xì)胞的用于組織修復(fù)的3D打印產(chǎn)品從研發(fā)到上市，大致需要5到6年時(shí)間,。而含活細(xì)胞的3D打印產(chǎn)品,，由于各方面的原因，尚不能估計(jì)上市時(shí)間,。雖然時(shí)間很長,，也不能停止在這方面的創(chuàng)新和研究。 目前已經(jīng)上市的生物3D打印產(chǎn)品有：具有骨小梁結(jié)構(gòu)的髖臼杯,、全鈦?zhàn)刁w融合器,、3D打印顱骨產(chǎn)品、3D打印面骨產(chǎn)品等,。目前上市的產(chǎn)品均為不可降解產(chǎn)品（第二層次）,，尚無可降解產(chǎn)品（第三層次）。

3D打印腦膜組織修復(fù)支架－睿膜,，是全球首個(gè)3D打印的軟組織產(chǎn)品,。其微觀結(jié)構(gòu)最接近自體腦膜，臨床效果好于已往的人工腦膜產(chǎn)品,。 十,、生物3D打印技術(shù)發(fā)展路線圖 生物3D打印技術(shù)的發(fā)展路線是從納米、微米,、厘米到分米級別,。納米級別即生物分子的打印包括蛋白、DNA等的打印都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了,。微米級別指細(xì)胞的打印,，也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。厘米級別指神經(jīng),、血管、組織等,，尚未實(shí)現(xiàn),，還處于研發(fā)階段。分米級別指心,、肝,、腎等器官，將是我們最終的目標(biāo)。 通過整個(gè)行業(yè)的努力,，以及與臨床醫(yī)生,、生物學(xué)家等多專業(yè)專家的合作，相信通過3D打印這種先進(jìn)的制造手段,，一定能夠?qū)崿F(xiàn)人類的科學(xué)夢,。

編輯：南極熊
作者：徐弢
延伸閱讀：
【案例】3D打印在醫(yī)療植入物研發(fā)與制造中的應(yīng)用