生物3D打印的技術(shù)難點及市場發(fā)展趨勢

生物3D打印技術(shù)是一種平臺性的關(guān)鍵共性技術(shù)，最終目標(biāo)是實現(xiàn)整合醫(yī)學(xué)、工程學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)來“打印”出一個跟人的器官或者組織完全一模一樣的替代品，用于組織修復(fù)、器官移植。比如皮膚移植用來治療燒傷；肝移植、腎臟移植用來治療肝癌、腎功能衰竭等等。該項技術(shù)無論對制藥企業(yè)新藥創(chuàng)制、醫(yī)療器械企業(yè)個性化醫(yī)療器械的開發(fā)生產(chǎn)，以及醫(yī)院醫(yī)療新技術(shù)的研發(fā)轉(zhuǎn)化都具有重要的應(yīng)用價值。

但隨著生物3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，打印通量低、制備標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化等問題已成為制約該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。生物3D打印除了利用傳統(tǒng)3D打印的核心技術(shù)以外，所有制造過程必須符合生物學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，要能保證細(xì)胞活性、組織功能，還要符合醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。這就需要大量的實驗來獲得針對每種器官相應(yīng)的生物材料、細(xì)胞和生長因子的各種最佳組合。此外，還需要對3D打印產(chǎn)生的器官進(jìn)行功能測試。

因此，生物3D打印的技術(shù)層面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過簡單的用3D打印來制造模型。總結(jié)來講，成功的生物3D打印必須克服以下幾個具體的技術(shù)難題：

1、細(xì)胞技術(shù)
選擇什么類型的細(xì)胞，對于3D生物打印相關(guān)的生物組織或者器官是至關(guān)重要的。人體的不同組織都是由特有的細(xì)胞組合而成，肝臟主要有肝細(xì)胞，心臟主要有心肌細(xì)胞，皮膚主要有各種上皮細(xì)胞等。但是不是所有組織特有的細(xì)胞都可以在體外分離進(jìn)行培養(yǎng)，而且不是所有細(xì)胞都能在經(jīng)歷了生物3D打印的環(huán)境之后還能夠保持自身的生物活性。所以如何優(yōu)化細(xì)胞分離、培養(yǎng)、增殖技術(shù)是保證生物3D打印成功的前提條件。

2、生物材料
人體不同的組織器官有其特有的物理學(xué)特性、力學(xué)特性等，例如皮膚的柔軟、骨組織的堅硬等，致使在對不同組織進(jìn)行生物3D打印的過程中，需要選擇與組織特性相對應(yīng)的生物材料，并且這些材料需要最大程度的保持所選擇細(xì)胞的生物活性和功能。更重要的一點是，所選擇的材料必須通過3D打印系統(tǒng)進(jìn)行操作。這就使生物材料的選擇非常具有挑戰(zhàn)性，而且需要在打印過程中不斷地優(yōu)化和改進(jìn)。

3、制造平臺
目前應(yīng)用于生物3D打印的平臺主要有Laser-based（鐳射）、Inkjet-based（噴繪）和 Extrusion-based（擠制）這三種主要的平臺。這三種平臺各有各的優(yōu)缺點和不同的特殊功能，對硬件技術(shù)的需求也各不相同。如何根據(jù)需要制造的不同組織器官，合理地選擇平臺也是生物3D打印能否成功的關(guān)鍵。這三種平臺已經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)3D打印或3D制造系統(tǒng)，所以最關(guān)鍵的一點是如何將其與生物制造的體系融合，使之發(fā)揮最大功效的同時，保持細(xì)胞的生物活性和生物材料的物理特性，并且使產(chǎn)品滿足醫(yī)學(xué)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

目前，國內(nèi)外生物3D打印的醫(yī)療器械主要集中在如金屬髖關(guān)節(jié)、PEEK顱內(nèi)骨修補等不可降解的三維打印器械，以及羥基磷灰石等骨科修復(fù)材料，國內(nèi)與國外的差距不大。可降解組織修復(fù)器械是生物3D打印技術(shù)下一階段的開發(fā)熱點，也將帶來更為巨大的市場。

3D打印技術(shù)是我國“十三五”計劃重點支持、重點發(fā)展的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，并被列入“十三五”國家重點研發(fā)計劃支持的重大專項之一。衛(wèi)計委、工信部和國家食品藥品監(jiān)督總局等單位，出臺了一系列產(chǎn)業(yè)支持政策，并明確指出“3D打印技術(shù)在醫(yī)用方面的前景大、市場廣，工信部將加大扶持和協(xié)調(diào)力度”，“3D打印醫(yī)療器械對促進(jìn)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，推進(jìn)國家的發(fā)展具有重要意義，國家食品藥品監(jiān)督總局已經(jīng)開始轉(zhuǎn)變相應(yīng)的制度和審批程序，使3D打印技術(shù)得到合理高效的發(fā)展”。

12月13日，工信部等十二部委發(fā)布關(guān)于印發(fā)《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年）》的通知，預(yù)期行動計劃將在政策扶持等方面給予產(chǎn)業(yè)一定的支持，生物3D打印產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為目前最被看好的市場領(lǐng)域。面向醫(yī)療應(yīng)用的生物3D打印技術(shù)在未來很長一段時間內(nèi)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向很明確，政府將大力支持發(fā)展3D打印技術(shù)。

2016年，我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)80億元，產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)較快增長。據(jù)預(yù)測，在2015年-2020年期間，全球生物3D打印市場銷售年均復(fù)合增長率將維持22%左右，到2020年，全球市場 規(guī)模將突破23億美元。

來源： 火石創(chuàng)造
延伸閱讀：
中科院深圳先進(jìn)院研發(fā)3D打印生物多孔支架材料獲進(jìn)展