未來3D打印技術在生物工程領域的五大應用

醫(yī)療行業(yè)應用3D打印技術的歷史始于上世紀80年代的醫(yī)療模型制造，隨著3D打印技術和醫(yī)用3D打印材料技術的發(fā)展,，現(xiàn)階段3D打印技術已被應用義齒加工和骨科植入物的直接制造領域,。在未來，3D打印技術的應用是與生命科學,、生物工程技術相結(jié)合,，制造具有生物活性的組織和器官。我們整理出3D打印技術在生物工程領域的五種應用前景,，與讀者分享,。


五種應用前景

1. 器官生物芯片定制

器官生物芯片

器官生物芯片是指在微流控生物芯片上制造出微觀的人體組織，它們的作用是模仿人體組織的功能,。比如腸道芯片,，是模擬人的腸道的成長環(huán)境，腸道器官結(jié)構(gòu),，研究藥物,、食物在腸道的吸收狀況和吸收效率等問題。器官生物芯片在進行生物學研究和藥物篩選實驗時往往比二維的細胞培養(yǎng)方式更加有效,。傳統(tǒng)的微流控芯片制造技術是勞動密集型的產(chǎn)業(yè),，不利于實驗室進行芯片設計的快速迭代和快速制造。將3D打印技術用于制造微流控生物芯片則可以在幾個小時內(nèi)實現(xiàn)微型流體通道的快速制造,，有利于設計的快速迭代,，提高基于微流控研究的跨學科性。

或許在未來,，先進的生物3D打印機不僅可以打印微流控平臺,，還可以同時在微流控平臺中直接打印出定制化的微觀人體組織。

2. 皮膚制造

人造皮膚

生物3D打印的皮膚有望用于治療燒傷或者是有慢性創(chuàng)口的患者,。目前生物3D打印技術已可以制造出具有完整功能的人造皮膚,，該技術在一些關鍵的皮膚組織工程學方面的潛力已體現(xiàn)出來,，包括構(gòu)建色素和皮膚老化模型、制造血管網(wǎng)絡和毛囊,。盡管生物打印皮膚技術的臨床應用仍處在非常早期的階段,，但一些有價值的臨床前動物實驗已經(jīng)正在進行。例如,，維克森林大學通過噴墨生物3D打印技術制造皮膚,，在使用該皮膚對小鼠缺損的皮膚進行原位修復時取得了良好的細胞存活和皮膚修復結(jié)果。

3. 面部重建

人體的顱面部區(qū)域由幾種復雜的組織構(gòu)成,，包括：骨,、軟骨、肌肉,、韌帶和皮膚,，以及血管和神經(jīng)等。如果組織出現(xiàn)創(chuàng)傷或者具有先天性缺陷則會影響到人的容貌,。在過去的幾十年中,，這種顱面部缺損的重建技術一直在發(fā)展，例如,，從截取人體其他部位的骨骼進行下頜骨修復,，發(fā)展到使用3D打印的鈦合金定制化植入物進行下頜骨重建。盡管使用現(xiàn)有的技術已實現(xiàn)了面部重建的治療目的,，但由于植入物的使用壽命以及可能發(fā)生的感染等因素,，顱面部修復技術并沒有停止發(fā)展的腳步，而生物3D打印技術和組織工程學正是發(fā)展方向之一,。

4. 插入式血管

3D打印血管化網(wǎng)絡組織結(jié)構(gòu)

在人造組織內(nèi)生成血管對于移植后確保組織存活及維持器官功能是必要的,。然而，制造帶血管網(wǎng)絡的組織和器官,，并在植入后可直接與人體動脈或靜脈相連接是醫(yī)學領域的一大挑戰(zhàn),。2016年，哈佛大學工程與應用科學學院（SEAS）就與該校Wyss生物工程研究所聯(lián)手在這方面取得了新的突破：他們發(fā)明了一種新的方法,，能夠3D打印出厚度足夠的血管化網(wǎng)絡組織結(jié)構(gòu),，而這種結(jié)構(gòu)能讓液體、營養(yǎng)物質(zhì)和細胞生長因子順利進入,，保證植入其中的細胞存活并促進它們生長,，最終形成完成的功能性組織。

5. 藥物篩選

我們在前面提到了生物3D打印技術將可以用于器官生物芯片的定制化制造,。定制化器官芯片的其中一個重要作用就是用于藥物篩選,。藥物篩選指的是采用適當?shù)姆椒ǎ瑢�可能作為藥物使用的物質(zhì)（采樣）進行生物活性,、藥理作用及藥用價值的評估過程,。傳統(tǒng)的藥物篩選方法有高通量篩選,、動物篩選模型、高內(nèi)涵篩選,、虛擬藥物篩選等，其中高通量篩選是目前藥物篩選的主流方法,。

現(xiàn)有的藥物篩選技術都屬于體外藥物篩選,，大多是在培養(yǎng)皿中平面培養(yǎng)細胞進行篩選試驗，由于在體外比較難以模擬活性細胞在體內(nèi)的生長環(huán)境,，就容易導致藥效準確度不高的后果出現(xiàn)�,，F(xiàn)有的體內(nèi)篩選技術是在動物身上，由于動物與人體內(nèi)的環(huán)境存在種屬差別,，并且試驗成本高,，因此實驗效果同樣并不理想。

3D 打印藥物篩選主要是基于細胞3D打印技術,，將細胞按照三維建模的模型打印出來,，而這種三維結(jié)構(gòu)是按照人體結(jié)構(gòu)構(gòu)建出的適合細胞黏附、生長,、遷移的結(jié)構(gòu),，相比其他篩選方法，此種細胞結(jié)構(gòu)更相似人體中的生長環(huán)境,，因此能夠得到更準確的篩選結(jié)果,。

小結(jié) 生物3D打印發(fā)展過程中所存在的問題

1. 研究進程緩慢，尚處于研究初期

從行業(yè)層面來看,，生物3D打印不僅僅是一個醫(yī)學領域的問題,，而是集生命科學、材料學,、信息技術,、組織工程、制造學,、臨床試驗等交叉的一門大學科,。能夠打印出活體器官等復雜生命體從來都不是僅靠生物醫(yī)學領域的發(fā)展就能夠?qū)崿F(xiàn)的，距離真正意義上的生物3D打印究竟還有多遠,，可能并不是我們想象的那樣容易實現(xiàn),。

目前來看，生物3D打印仍處于研究初期,，目前對于材料,、打印方法、組織結(jié)構(gòu),、基因科學等的研究還遠遠不能支撐活體生物器官的打印,，上述各技術組成部分基本都處于獨立研究階段,，尚未呈現(xiàn)一個產(chǎn)業(yè)鏈條的研究機制。

2. 醫(yī)療器械的審批過程緩慢

醫(yī)療領域的可植入人體的植入物能否成為合法合規(guī)的產(chǎn)品,，取決于能否獲得國家的審批,，在美國需獲得FDA 的審批，在歐洲須獲得CE認證,，在中國需獲得CFDA（國家食品藥品監(jiān)督管理局）的注冊審批,。

我國將醫(yī)療器械分為三類，第一類醫(yī)療器械是指通過常規(guī)管理足以保證其安全性,、有效性的醫(yī)療器械,；第二類醫(yī)療器械是指對其安全性、有效性應當加以控制的醫(yī)療器械,；第三類醫(yī)療器械是指植入人體,，用于支持、維持生命,，對人體具有潛在危險,，對其安全性、有效性必須嚴格控制的醫(yī)療器械,。

大多生物3D 打印植入物屬于三類醫(yī)療器械,，其安全性和有效性需進行十分嚴格的檢驗，注冊審批的流程一般為：研發(fā)設計階段（至少1-2 年）——理化生物學評測階段（至少1 年）——臨床試驗階段（至少2-3 年）——注冊報批階段（1 年）——上市,。假設從研發(fā)到試驗均一切順利,，產(chǎn)品面市的整個流程也至少需要6-7 年的時間，而目前針對含細胞的生物打印制品,，各國都還未出臺相應的注冊法規(guī),，監(jiān)管也是相當?shù)膰栏瘢�因此生�?D打印的產(chǎn)業(yè)化之路將更加漫長,。