清華大學(xué)生物制造中心主任孫偉：3D生物打印及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)

清華大學(xué)生物制造中心主任孫偉：《3D生物打印及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)》主題演講,。

    孫偉：3D打印大家都知道,，計(jì)算機(jī)模型,，通過(guò)打印裝備,。
   
這是一個(gè)咖啡杯,，我們不用3D打印機(jī)打印咖啡杯,，因?yàn)樗�太�?jiǎn)單了,，我們是打印用常規(guī)方式不能做的。3D打印有三個(gè)特色，創(chuàng)新,、個(gè)性化,、快速，正因?yàn)檫@個(gè)特色,，它在醫(yī)療界找到了特別好的應(yīng)用,，因此形成了新的學(xué)科，叫生物3D打印,。也就是我們用的材料不一樣,，不是打印發(fā)動(dòng)機(jī)，不是用金屬,，其實(shí)也可以用金屬,，是打印關(guān)節(jié)，我們用的是生物3D打印材料,，尤其是我們用細(xì)胞,、生物單元，比如用蛋白質(zhì)等等,，我們用三維打印的方式在體外構(gòu)建生物體,。

這里有一個(gè)動(dòng)畫，是我們通過(guò)不同的噴頭把紅色的,、綠色的和生物材料用噴頭打印,，構(gòu)成空間的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這是模擬體內(nèi)的環(huán)境,。這樣生物影響因子把紅的內(nèi)壁細(xì)胞排列,，對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，這是細(xì)胞組裝,，構(gòu)建了一個(gè)三維的高級(jí)的生物學(xué)模型,。但是對(duì)于再生醫(yī)學(xué)的科學(xué)家來(lái)講，我們構(gòu)建的是一個(gè)血管再造模型,。也是我們可以按照干細(xì)胞生物材料通過(guò)打印的方式來(lái)構(gòu)建這樣的生物模型,，用這些模型做組織工程產(chǎn)品，用這些模型做藥物檢測(cè),、疾病研究等等,。
   
為什么通過(guò)3D打印構(gòu)建這種三維的模型呢？第一,，人的細(xì)胞是在三維環(huán)境下生長(zhǎng)的,，所以在三維環(huán)境下我們還原細(xì)胞在體內(nèi)的三維環(huán)境。比如我們合作研究怎么把子宮癌細(xì)胞3D打印體外模型,，看它在培養(yǎng)盤里面有什么樣的現(xiàn)象,�,？梢钥吹剑�不光��(xì)胞形態(tài)學(xué)不一樣,，最關(guān)鍵抗藥性不一樣,，在癌癥研究來(lái)說(shuō)，很多二維癌癥研發(fā)藥就不起作用了,。另外在三維細(xì)胞模型,，在生物學(xué)應(yīng)用是一個(gè)革命性的趨勢(shì)。為什么生物學(xué)家不用這些模型呢,？因?yàn)樗麤](méi)有制造手段，還是基于二維培養(yǎng)盤,。我們團(tuán)隊(duì)的工作,，也是希望怎么建立三維的細(xì)胞模型，生物學(xué)模型,，能夠幫助這些生物學(xué)家更好的研究生物學(xué),。南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。

   

如果回頭看,，生物3D打印整個(gè)技術(shù)發(fā)展可以按照生物材料生物學(xué)性能分成四個(gè)階段：第一階段是醫(yī)療模型,，做手術(shù)導(dǎo)板等等。第二是做永久植入,，比如鈦合金打印等等,，做假肢或者關(guān)節(jié)，所以用可以降解,、可以吸收的,，必須與生物相容的，用它做復(fù)雜的工程支架,，可以讓細(xì)胞更好的再生組織,。第四個(gè)層次，我們直接把活體細(xì)胞蛋白和基于生物活性的東西,，把它作為一個(gè)基本單元,，用3D打印構(gòu)建一個(gè)生物體外的模型。

   

在第一層到第三層主要是技術(shù)應(yīng)用,，前面已經(jīng)談了很多了,，像關(guān)節(jié)、植入等等,，像利用SLA和激光燒結(jié)打印各種組織支架等等,。清華大學(xué)也有非常好的特定技術(shù)，就是低溫沉積,，在生物材料在零下30度溫度下打印,，最后可以形成大孔,、小孔，大孔可以做細(xì)胞的粘附,，小孔提供營(yíng)養(yǎng),，我們做了一系列的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。但是在第四個(gè)層次上,，我們把細(xì)胞作為單元來(lái)作為生物3D打印,，在這個(gè)層次上主要是側(cè)重在體外仿真生物結(jié)構(gòu)體的制造，在這個(gè)層次上它的發(fā)展就使得傳統(tǒng)上我們只注重結(jié)構(gòu)和形狀的制造,，比如第一到第三層次,，延拓到構(gòu)建體外細(xì)胞結(jié)構(gòu)體和生物裝置，并應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué),、病理學(xué)等等,。

   

比如，我們可以把癌癥細(xì)胞進(jìn)行打印,，比如免疫癌癥治療里面T細(xì)胞,、D細(xì)胞，它們進(jìn)行組合以后受到癌癥細(xì)胞的感染,，T細(xì)胞被D細(xì)胞激活,，然后去攻擊癌癥細(xì)胞。這里面我們用單細(xì)胞打印技術(shù)來(lái)構(gòu)建,，T細(xì)胞和D細(xì)胞之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳遞,。構(gòu)建這樣一個(gè)細(xì)胞模型需要獨(dú)特的技術(shù)，需要單細(xì)胞打印技術(shù),，因?yàn)楸仨氁��?0微米的環(huán)境內(nèi),，我們因?yàn)檫@個(gè)細(xì)胞去研究什么樣的環(huán)境可以激發(fā)它產(chǎn)生免疫效應(yīng)，這樣給作為疾病或者藥物研究提供一種參考的依據(jù),。

   

另外我們跟陳院士合作,，構(gòu)建體外癌癥發(fā)展的不同階段的模型。比如陳院士提出,，當(dāng)有一個(gè)癌細(xì)胞形成作用之后癌細(xì)胞怎么產(chǎn)生變化,，當(dāng)有許多的癌癥細(xì)胞，當(dāng)完全的癌細(xì)胞組合,，它們之間怎么樣,？我們用3D打印方式構(gòu)建了單個(gè)細(xì)胞和正常細(xì)胞的組合，同時(shí)構(gòu)建多癌細(xì)胞組合,，就是體外的癌癥的生長(zhǎng)模型,，讓這些癌癥學(xué)家更好研究癌癥和藥物。體外的腫瘤模型3D打印,，通過(guò)生物材料整合讓它長(zhǎng)成體外模型,，并且來(lái)看兩維和三維結(jié)果不一樣,，比如基因上調(diào)和基因下調(diào)大量的不一樣。

   

第二是微器官芯片構(gòu)建,。我們希望通過(guò)微型器官去檢測(cè)藥物的作用,，為什么要構(gòu)建微型器官？一般藥物檢測(cè)都是用動(dòng)物模型,，動(dòng)物模型和人的免疫系統(tǒng)不一樣,，另外更多是用兩維培養(yǎng)盤模型，兩維培養(yǎng)盤模型就是我前面談到的,，它的細(xì)胞在體內(nèi)和體外不同,，體內(nèi)是三維的，所以二維細(xì)胞往往也不合適,，利用這種結(jié)果做出來(lái)的藥物毒性的檢測(cè)往往不準(zhǔn)確,，也就造成了研發(fā)新藥90%動(dòng)物實(shí)驗(yàn)通過(guò)，但是臨床通不過(guò),，而且即使過(guò)了培養(yǎng)盤檢測(cè)，但是在臨床還是不行,。
   
在這個(gè)題目里面,，我們做了怎么構(gòu)建三維的微型肝臟，這個(gè)微型肝臟不是具有真正肝臟全部的功能,，它是具備肝臟新陳代謝的功能,，在體外構(gòu)建類似于內(nèi)組織，讓藥物在身體里面流動(dòng),，通過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞深入到細(xì)胞當(dāng)中去,。這個(gè)作用的目的，因?yàn)橛詈絾T上天之后每天都吃一顆防輻射藥,，但是在那種極端的狀態(tài)下通過(guò)肝臟新陳代謝出來(lái)的藥對(duì)于第二器官,，比如大腦、皮膚,、肌肉,、骨骼會(huì)有影響，所以希望構(gòu)建這樣的微型器官模型,。也是通過(guò)這個(gè),，可以作出大量的應(yīng)用，因?yàn)檫@些東西沒(méi)有辦法放在動(dòng)物里面,，因?yàn)闆](méi)有辦法把動(dòng)物放在空間站里面去,。
   
另外是再生醫(yī)學(xué)模型，打印胚胎干細(xì)胞,，單個(gè)不分化,，于是我們用三維打印模式,，讓它進(jìn)行成團(tuán)分化。通過(guò)三維動(dòng)因構(gòu)建胚胎干分化,，有三個(gè)特點(diǎn),，第一靠自己生長(zhǎng)出來(lái)，而不是靠細(xì)胞聚集,。第二它完全保持內(nèi)分化狀態(tài),。第三它可以控制胚胎球的狀態(tài)。這個(gè)工作利用干細(xì)胞再分化做下面的東西提供了最好的基礎(chǔ)原料,。

   

我們團(tuán)隊(duì)里面有20多個(gè)博士,，整個(gè)團(tuán)隊(duì)里面打印細(xì)胞做了十幾年，細(xì)胞打印我們最關(guān)注三個(gè)問(wèn)題：第一能不能打印,，第二打印能不能成形,，因?yàn)椴荒艹尚蔚脑挘�不能形成孔結(jié)構(gòu)沒(méi)有辦法把營(yíng)養(yǎng)液放進(jìn)去,，打印結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)胞會(huì)死,。第三即使把細(xì)胞活著打出來(lái)之后，這個(gè)細(xì)胞能不能具有功能,？它必須從癌癥細(xì)胞變成腫瘤,，或者必須從某一個(gè)細(xì)胞分化成特定的細(xì)胞，這是我們一直在做的,。這里面牽扯到很多,，不光是基礎(chǔ)科學(xué)，也牽扯到制造學(xué)問(wèn)題,，比如能不能打印,，如果噴頭太小，你打印的墨水太黏,，比如牙膏,，那細(xì)胞打出來(lái)全死了，因?yàn)轲ざ忍���,。如果用粗的噴頭,，對(duì)成形性又有影響。所以要非常注意,，首先要選擇什么樣的噴頭,、什么樣的材料、什么樣的粘稠度,，使得這個(gè)細(xì)胞打出來(lái),，至少保證90%以上能成活。
   
第二步就是分化,，就是成形的問(wèn)題,。成形一般來(lái)說(shuō)都是用交聯(lián)的方式,，這里面四種交聯(lián)模式中至少用一種。比如第一個(gè)我們打印的是癌癥細(xì)胞,，在給一定的參數(shù)條件下,，能夠保證90%的細(xì)胞是成活的。但是相同的打印參數(shù),，相同的材料,，我們能夠達(dá)到50%的活性，如果把相同的東西再作為胚胎干細(xì)胞打印,，只能保證14%的活性,。所以任何情況下打印細(xì)胞，都要仔細(xì)去琢磨用什么樣的打印參數(shù),，而不是把細(xì)胞材料組合起來(lái)去打印,。所以第一個(gè)要調(diào)控參數(shù)，這里面我們用明膠和海藻酸鈉打印,，這兩種材料組合變成生物墨水的時(shí)候,，就具有可以隨著溫度變化的趨勢(shì)，于是我們可以調(diào)控這個(gè)溫度,，使得這個(gè)生物墨水在打印的時(shí)候延遲性最小,。比如打印噴頭的時(shí)候溫度，不同的顏色就表明細(xì)胞打印裝置有不同的溫控區(qū)域,，對(duì)于打印細(xì)胞來(lái)說(shuō)，要求的溫控,、打印工藝等等更加復(fù)雜,。

清華大學(xué)90年代末開(kāi)始從事生物3D打印研究，現(xiàn)為中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生物制造工程分會(huì)掛靠單位,，以及中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)生物材料先進(jìn)制造分會(huì)掛靠單位,。比如我們用低溫沉積打印做的骨頭支架，我們把軟骨和硬骨組合在一起,，同時(shí)打印出來(lái)之后,，直接成形，直接硬骨和軟骨同時(shí)長(zhǎng),，最后證明硬骨和軟骨可以結(jié)合,。同時(shí)打印血管，通過(guò)仿生,，通過(guò)不一樣的打印方式打印血管,。以及現(xiàn)在打印可降解的冠狀動(dòng)脈支架。同時(shí)在深圳研究生院的通過(guò)打印的方式來(lái)打印眼角膜,。同時(shí)做了宮頸切除之后怎么樣做修復(fù),，使得不僅宮頸能夠恢復(fù)原來(lái)的結(jié)構(gòu),，同時(shí)載藥模型進(jìn)一步防止癌癥的復(fù)發(fā)。另外,，我們把iPS細(xì)胞打印成團(tuán),，以及進(jìn)行hiPSC三維模型鑒定。

   

我們希望能夠轉(zhuǎn)化成專業(yè)化的東西,，使得能夠作出一些裝備,、工具，使得這些生物學(xué)家們或者醫(yī)學(xué)家們更好的去研究,，于是我們建立了上普,。創(chuàng)辦于2014年，集20年來(lái)國(guó)際性生物制造和生物3D打印核心技術(shù)為基石,，從事生物三維打印創(chuàng)新性裝備,、生物墨水和高級(jí)生物3D打印產(chǎn)品研發(fā)及在精準(zhǔn)醫(yī)療、高端醫(yī)療機(jī)械,、體外藥物篩選模型,、革新華腫瘤治療和組織工程產(chǎn)品制造中的應(yīng)用。首先根據(jù)我的專利買出來(lái)以后,，我們自己用這些專利成立了美國(guó)的研究院,，在14年5月份在北京，與清華團(tuán)隊(duì)合作,，17年成立了深圳研究室,，重點(diǎn)在芯片方面的研發(fā)。
   
我們主攻產(chǎn)品是醫(yī)療器械個(gè)性化需求,，藥物研發(fā)藥毒性檢測(cè),，組織器官芯片以及癌癥的個(gè)性化治療，同時(shí)多細(xì)胞復(fù)雜組織構(gòu)建,。因?yàn)槲覀兓�于是基于多年的科研基礎(chǔ),，清華大學(xué)生物制造中心、清華大學(xué)深圳研究院和我們的研究中心,，同時(shí)我們和全球的高校以及醫(yī)院進(jìn)行合作,，主要是分四個(gè)方面，第一是裝備,，因?yàn)槲覀兇蛴×?0多年,，我們有最好的裝備，我們知道什么樣的裝備能解決什么樣的問(wèn)題,，我們能夠把這些裝備產(chǎn)業(yè)化,，提供給不同領(lǐng)域。這里面包括低溫沉積、細(xì)胞3D打印,、精準(zhǔn)熱溶擠壓3D打印,、定制化與集成功能生物3D打印。我們希望把這些知識(shí)轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品,，來(lái)幫助這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展,。同時(shí)我們想把最好的東西，有價(jià)值的,，能產(chǎn)業(yè)化的,，包括心臟支架、個(gè)性化腫瘤,、藥物檢測(cè)等等,。同時(shí)我們和協(xié)和醫(yī)院合作，和腫瘤醫(yī)院合作,，把病人組織拿過(guò)來(lái),，癌癥組織拿過(guò)來(lái)，把里面癌細(xì)胞分離出來(lái),，通過(guò)癌細(xì)胞打印成形,，一周以后去檢測(cè)哪種腫瘤藥有效。這是為癌癥個(gè)性化治療提供的方案,。同時(shí)建立生物產(chǎn)業(yè)和技術(shù)服務(wù)平臺(tái),，對(duì)于希望用這些模型，但是不具有或者不想買這些裝備,，或者不具有這方面專業(yè)知識(shí)的我們來(lái)提供,，我們提供細(xì)胞模型，我們來(lái)提供芯片,，來(lái)進(jìn)行藥檢等等方面的服務(wù),。
   
這是生物3D打印裝備，在國(guó)內(nèi)很多領(lǐng)先的科研單位或者大學(xué),、醫(yī)院、公司也引進(jìn)來(lái)了,，同時(shí)這些裝備在全世界最好的學(xué)校都有上普的裝備,。墨水是基于我們多年的細(xì)胞打印專業(yè)知識(shí)和它的技術(shù)來(lái)調(diào)配，來(lái)提供這個(gè)領(lǐng)域的服務(wù),，同時(shí)我們還打印特定的支架,。
   
如果回頭看整個(gè)領(lǐng)域里面，不管是在科研還是產(chǎn)業(yè)化技術(shù),，生物3D打印就像3D打印一樣,，生物3D打印也是提供的一個(gè)共性技術(shù)，但是解決的領(lǐng)域不一樣,，是為生物學(xué)服務(wù)的,，生物制造不僅僅是制造學(xué)從使用單一的結(jié)構(gòu)材料,，到使用功能材料，從生物材料到生命材料,，它的學(xué)科拓展和延伸,。同時(shí)是工程材料生命及信息醫(yī)學(xué)，這里面為個(gè)性化的醫(yī)療和離散化服務(wù)實(shí)現(xiàn)提供了必要的共性技術(shù)手段,。
   
這是我們制定的規(guī)劃,，也就是09年的時(shí)候，大概兩到三年植入物,、假肢,、支架、細(xì)胞打印會(huì)出現(xiàn),，往下五年會(huì)到病,、藥理模型打印，再過(guò)10年功能組織打印,，再過(guò)15年器官打印,。
   
從產(chǎn)業(yè)化來(lái)說(shuō)，生物墨水,、軟件,、裝備，這是國(guó)外權(quán)威的報(bào)道,，比如14年到2030年來(lái)說(shuō),，重點(diǎn)研發(fā)下一代生物三維打印機(jī)，將提供更多功能,。到2030年,，市場(chǎng)容量將達(dá)到數(shù)十億美元。另外3D打印構(gòu)建個(gè)性化組織工程制品及細(xì)胞復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)具有廣闊的市場(chǎng)前景,，2020年,，市場(chǎng)容量將達(dá)到60億美元。另外,，3D生物打印關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng),，會(huì)提供大量的技術(shù)手段。
   
最后感謝基金委,、科技部,、教育部等等部門。
   
再次感謝,。