【高端演講】杭州電子科學(xué)大學(xué)教授徐銘：Regenovo生物3d打印機(jī)

【導(dǎo)讀】 在6月下旬,，世界3d打印大會在青島舉行,。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場進(jìn)行了大量的報道,，詳情請看南極熊報道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html ,。南極熊作為一個3d打印的專業(yè)媒體平臺,，一直致力于推動中國3D打印行業(yè)的發(fā)展。希望下面的一些內(nèi)容對大家有所啟發(fā),。
張人佶：再一次感謝胡慶夕教授,。下一個報告是徐銘恩教授，他是杭州電子科學(xué)大學(xué)教授,、中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長。下面的報告大家壓縮點(diǎn)時間,，控制在一刻鐘之內(nèi),。   

    徐銘恩：大家上午好，下面由我來介紹一下我們的工作,。首先介紹一下我們實(shí)驗(yàn)室,，我們實(shí)驗(yàn)室是在2005年和清華大學(xué)合作一起成立的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，成立至今也有差不多9年了,，我也是在清華大學(xué)開始我在生物3D打印技術(shù)領(lǐng)域的研究,，張老師都是我非常尊敬的老師,。

    Regenovo是我們近兩年成立的公司，也希望給這個領(lǐng)域的科學(xué)家和醫(yī)生提供一個系統(tǒng)化的解決方案,。這是我們團(tuán)隊(duì)成員的情況,，我們有一些生命科學(xué)領(lǐng)域的專家，也有計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域的,、機(jī)械領(lǐng)域的專家,，還有兩位醫(yī)生。

    整個生物3D打印是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),，跟傳統(tǒng)的3D打印相比,，面向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的3D打印，它用的材料和它最終的目的都不一樣,，所以也就產(chǎn)生了很多新的科學(xué)問題和技術(shù)問題需要解決,。這個是Hod Lipson說的一句話，生物3D打印是3D打印技術(shù)最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域,�,？偨Y(jié)起來是三點(diǎn)，第一點(diǎn)是這個領(lǐng)域的市場規(guī)模特別大,，第二點(diǎn)是這個領(lǐng)域?qū)�個性化制造的產(chǎn)品有非常強(qiáng)烈的需求,，3D打印這種柔性化的制造技術(shù)在別的時候可能沒有個性化需求，但是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域非常多,。還有就是醫(yī)學(xué)產(chǎn)品是高附加值的,，所以3D打印成本高，產(chǎn)品在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以賣得價格很高,，所以沒有問題,。

    我們這個團(tuán)隊(duì)做的工作主要也是集中在這么三塊地方，一個是生物3D打印設(shè)備,，第二塊是細(xì)胞3D打印技術(shù),，這個專門提出來講，因?yàn)檫@塊我們還是做了比較多的工作,。第三個是生物3D打印在現(xiàn)有領(lǐng)域的應(yīng)用,。

    這個是我前前后后參與過的幾個設(shè)備，這個是在清華大學(xué)參與開發(fā)的一個技術(shù),。這是我當(dāng)時做的,，用脂肪干細(xì)胞做的3D打印結(jié)構(gòu)。這個是我當(dāng)時在美國孫偉（音）教授實(shí)驗(yàn)室做的工作,，這個是在一個普通的3D運(yùn)行平臺上,，用一個氣動的方式驅(qū)動。這是我們當(dāng)時做的工作,，給NASA做的人工肝臟的一個工作,。這個是我們?nèi)ツ晷伦龅囊慌_設(shè)備,，在做過幾臺設(shè)備之后，因?yàn)獒t(yī)生和搞生物科學(xué)的研究人對設(shè)備有他們特殊的需求,，我們想能不能做出面向他們需求的設(shè)備,，這個是我們做的。我們可以看到上面是在打印細(xì)胞,，下面是在空中,，這個是用生物材料凌空打印了一段彈簧。這個設(shè)備有這么幾個特點(diǎn),，第一個是用固態(tài)的溫控系統(tǒng),，保證了系統(tǒng)的小型化。第二是用雙噴頭,，保證了可以用更多的材料進(jìn)行生物3D打印,。最后一個是面向醫(yī)學(xué)和生物學(xué)應(yīng)用的潔凈化設(shè)計(jì)，我們整個系統(tǒng)保證盡量的能夠光潔,，能夠自我清潔,。

    然后我來介紹一下我們在細(xì)胞打印領(lǐng)域的工作。細(xì)胞打印能夠做這個其實(shí)是有一個技術(shù)性的原理,，自組織是一個很有意思的過程,，怎么去調(diào)控它，有很多種方法,，這里面有很多東西值得研究,。這個是我們做的細(xì)胞組裝過程當(dāng)中解決的問題，一個是細(xì)胞成活率的問題,。用一個設(shè)備把細(xì)胞打印出來是很簡單的,，但是想打出來是活的是很難的事情�,；畹暮芎媒鉀Q,，你要解決活的和這個結(jié)構(gòu)至少能夠維持一周以上，這是非常難的,。我們一開始細(xì)胞存活率非常低,，細(xì)胞在里面培養(yǎng)了三四天之后還都是一個個小圓球，如果一直保持小圓球,，這個意味著細(xì)胞的活性是有問題的,。看上面,，如果細(xì)胞存活了，看右上那個圖,，細(xì)胞是會在材料中舒展開,，它會跟邊緣細(xì)胞抱起來形成一些結(jié)構(gòu),。這個是存活后的。電子顯微鏡可以看到它會形成大量的纖維互相連接的結(jié)構(gòu),。

    除了成活率這個問題,，還有對細(xì)胞的調(diào)控。因?yàn)榧?xì)胞是個活的東西,，不是打印完了就行了,。我們碰到這個問題，細(xì)胞在里面瘋長,，很多結(jié)構(gòu)都是圍繞功能設(shè)計(jì)的,，你這樣就沒有意義了，所以還要控制細(xì)胞生長,。還要控制細(xì)胞對這個結(jié)構(gòu)的降解,，因?yàn)槲覀兯�用的材料都是生物材料，�?xì)胞有時候會對材料進(jìn)行降解,。我們這方面做了好多年,，逐漸的能夠保證細(xì)胞存活，并且在里面長時間生長,，最后細(xì)胞也能在里面進(jìn)行比較好的可控性的分化,。這是培養(yǎng)兩周后的，我們所設(shè)計(jì)好的通道在里面都還保持著,，綠色的都是細(xì)胞,，都已經(jīng)生長開了，和邊上的細(xì)胞黏結(jié)在一起,。

    這個通道表面的細(xì)胞呈一種特殊的分化狀態(tài),，我們把它分化成了一個成熟的內(nèi)皮細(xì)胞，內(nèi)部的細(xì)胞呈現(xiàn)另外的狀態(tài),。前面有個問題問打印之后材料內(nèi)部的細(xì)胞怎么存活,，我們知道營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的擴(kuò)散可以擴(kuò)散50微米，只要保證這個通道跟內(nèi)部最深處細(xì)胞的距離不要超過50微米,，就能保證內(nèi)部細(xì)胞營養(yǎng)的提供了,，這個是比較好的結(jié)果。

    總的來說,，細(xì)胞3D打印有這么幾個關(guān)鍵的問題,。第一，打印對細(xì)胞的影響,。除了我前面說的存活率,，其實(shí)還有，比如說我們在美國的時候，我們在孫老師實(shí)驗(yàn)室,，他對那個干細(xì)胞分化的影響,，打印過程中產(chǎn)生的壓力、壓差對細(xì)胞的分化是有影響的,。第二是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,，一個東西打印出來，我們一開始最糟糕的情況是打印出來放到培養(yǎng)液中兩個小時全部降解掉了,，這個必須要長時間的維持,，至少能維持到兩周以上才有可能細(xì)胞分泌出來的蛋白把以前的蛋白替代掉，結(jié)構(gòu)才能夠保證下來,。第三個就是細(xì)胞的誘導(dǎo)和調(diào)控,，這個也很關(guān)鍵。因此細(xì)胞3D打印涉及設(shè)備,、材料和對細(xì)胞調(diào)控的系統(tǒng)化技術(shù),，是一個非常系統(tǒng)的工程。

    在這個之后,，這個是一個很基礎(chǔ)的研究,，我們要看一下生物3D打印技術(shù)現(xiàn)在有哪些應(yīng)用。第一個應(yīng)用是比較長遠(yuǎn)的應(yīng)用,，就是做人類組織器官的打印,，然后是藥物篩選領(lǐng)域，個性化醫(yī)用植入等等,。這個是人類組織器官衰老圖,，現(xiàn)在移植的需求非常大，在中國每年有150萬患者需要移植,，其中只有1萬人可以等到器官,，如果可以做出器官來，這是很有意思的工作,。

    這個是我們做人工肝單元的工程,，每一個功能結(jié)構(gòu)跟它的功能都是有聯(lián)系的，要搞清楚它們的關(guān)系,，最后設(shè)計(jì)出我們所制造的肝單元可以打印出來的結(jié)構(gòu),，將不同的細(xì)胞進(jìn)行打印。打印完了之后也會有一個問題,，比如說我們看中圖這個東西就我們打出來的,。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得很巧妙，但是看不到里面打得怎么樣,，我們碰到這樣的問題還是蠻多的,，如果不能看到里面怎么樣,，很多實(shí)驗(yàn)沒法往下做了。我們又提出要用一個光學(xué)的方法能夠無損的檢測到內(nèi)部的結(jié)構(gòu),，就是右上角的圖,，我們花了100多萬做這個系統(tǒng)。最后我們做下來,，細(xì)胞在里面生長非常良好。這是幾個關(guān)鍵的功能,，這個能維持八周以上,。

    除了這部分工作以外，這個還要15到20年,，也許要20年以后才能成功,。這是我們做的比較多的工作，我們將這個技術(shù)用在藥物的篩選上�,，F(xiàn)在在制藥工業(yè),，一個新藥開發(fā)完成大概需要8億美元，費(fèi)時10年,。我們現(xiàn)在篩選的方法有問題,，一種是體外的分子模型，這個有個問題,，這種模型脫離了體內(nèi)的整體環(huán)境,。第二是用動物模型，動物跟人之間是有種間差的,，動物身上有效果的藥物到人身上未必有效果,。我們提出用3D打印的技術(shù)來制造人工的這些組織器官，用人的細(xì)胞,，最后做出來的系統(tǒng)可以用來藥物篩選,，可以彌補(bǔ)前面兩個系統(tǒng)的毛病。

    這是做的第一個嘗試,，做代謝綜合癥的模型,。因?yàn)榇�謝綜合癥包括肥胖、糖尿病,、高血壓,、高血脂。病因是由于我們體內(nèi)能量代謝調(diào)控系統(tǒng)出問題了,，體內(nèi)能量代謝調(diào)控主要是由脂肪和胰島構(gòu)成一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行調(diào)控,。我們想嘗試子體外構(gòu)建這個系統(tǒng)，我們做了一個體外人工脂肪,，然后再把胰島放在特殊的位置,，最后把這個系統(tǒng)做出來,，用高濃度的葡萄糖來培養(yǎng)。

    其它的我們還建立了一些腫瘤的模型,，還有一個肝臟藥物的模型,。除了這個以外，我們在這個過程中也發(fā)現(xiàn)可以控制細(xì)胞在里面的一些特異性的分化,，比如說表面的細(xì)胞怎么分化,，內(nèi)部的細(xì)胞怎么分化，這也是一些自我組織的調(diào)控,�,？梢园l(fā)現(xiàn)這個模型能夠非常好的仿真人類糖尿病胰島素分泌的病理過程。我們也嘗試把細(xì)胞打印在芯片上,，把打印和芯片結(jié)合在一起,。這個是我們的結(jié)果。

    除了這個以外,，在這個領(lǐng)域,，個性化的醫(yī)用植物的3D打印也是非常有價值的。我們可以通過病人數(shù)據(jù)重建他的模型,，用3D打印技術(shù)把它打印出來,。這是我們把支架植入動物的數(shù)據(jù)，支架中設(shè)計(jì)的每個孔都有血管長進(jìn)去了,，保證了這個支架很好的血管化,，保證了骨組織的生成。除了這個以外,，我們做了通過病人數(shù)據(jù)重建之后來打印,，醫(yī)生可以通過這個模型進(jìn)行手術(shù)方案設(shè)計(jì)和實(shí)際操作訓(xùn)練。這個是我們做的另外一部分工作,，這個是動物實(shí)驗(yàn),，這個是一個下顎修復(fù)實(shí)驗(yàn)。

    除了這個以外,，我們也可以做個性化假肢,、假體的3D打印。這是我們做的一個手,，大家在展會可以看到我們的手在展示,，用3D打印技術(shù)做的，非常靈活,，這個手可以給殘疾人使用,。所以3D打印也給很多研究提供了一些新的技術(shù)。

    因?yàn)槲铱吹綍r間很緊了,，我到這里就結(jié)束了,。最后有個結(jié)語,，這個領(lǐng)域我覺得有非常大的前景。但是器官的實(shí)現(xiàn)還要15年以上的時間,，在藥物開發(fā)和個性化醫(yī)療等領(lǐng)域可以應(yīng)用,。這個領(lǐng)域涉及很多方面的學(xué)科，所以說我希望我們大家可以一起合作,，發(fā)揮各自的特長,，互相支持，這樣才能夠推動3D打印技術(shù)更快的在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,。謝謝大家,。   

    互動：想請教一個問題，我們?nèi)绻�只是做比較薄的二維細(xì)胞打印,，相對這個技術(shù)難度會低一些。但是當(dāng)我們做生物結(jié)構(gòu)體體積相對大的,，含有多的活細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的時候,，這個細(xì)胞被打進(jìn)去以后，它的代謝問題,。剛才雖然您講了在50微米的范圍它可以很好的代謝,，但是如何保證在一個大體積的結(jié)構(gòu)體內(nèi)部形成有50微米的管道形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，來保證這個細(xì)胞在結(jié)構(gòu)體里很好的代謝存活,？   

    徐銘恩：其實(shí)這也是3D打印的優(yōu)勢所在,。我可以設(shè)計(jì)好所有的通道，然后保證這些通道到這個組織的各個位置,，其它的制造技術(shù)也許制造不出來,，但是3D打印技術(shù)可以保證這些通道全能夠打印出來，液體能夠從這些通道流過去,，組織中的每一個細(xì)胞都能夠得到養(yǎng)分,，排掉廢物。   

    互動：這種管狀的這種結(jié)構(gòu),，現(xiàn)在的3D打印技術(shù),，從現(xiàn)在可以看到的，您覺得什么樣的設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu),？   

    徐銘恩：這個可以做,，因?yàn)?00微米的通道用3D打印完全可以做得出來。我通道是100微米,，50微米只是保證通道表面的面積跟材料深部細(xì)胞的距離不要超過50微米,。