徐銘恩：3D打印批量制造人體器官

杭州捷諾飛生物科技有限公司的實驗室工廠里，徐銘恩正在用3D打印機高速打印一個個半透明的“果凍”。不過，這里不是食品加工廠。

　　一臺外觀看上去充滿未來感的銀色生物3D打印機依據(jù)電腦中的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)圖，噴射出人體活細胞和凝膠材料,。猶如用混凝土構(gòu)件微型建筑，3D打印機中的“細胞墨水”在接觸到空氣的瞬間凝固,。
　　真正奇異的是兩周以后,，經(jīng)過培養(yǎng)液的誘導調(diào)控，這些“果凍”變成了一塊塊具有復(fù)雜血管結(jié)構(gòu)和器官功能的肝臟組織,、脂肪組織和皮膚組織,，而它們可以在人體外穩(wěn)定存活4個月。
　　“汽車壞了可以到4S店更換零部件維修,，但如果人的器官壞了,，現(xiàn)在還沒有一家可以隨時更換器官的4S店�,！�39歲的徐銘恩笑著說,，他是杭州電子科技大學教授、博導,、捷諾飛生物科技公司創(chuàng)始人兼首席科學家,。
　　當前更換器官最直接的方法是器官移植，然而器官移植不僅費用高昂,，而且需求與供體比例嚴重失衡,，大約為150：1，手術(shù)后病人還要終身服用抗排異反應(yīng)藥物,；人體克隆由于受到道德倫理的挑戰(zhàn),，更是被各國明令禁止,。
　　“生物3D打印技術(shù)的發(fā)展讓未來批量制造人體器官成為可能,。”徐銘恩說。
　　3D打印技術(shù)被視為改變制造業(yè)的顛覆性技術(shù),。相比傳統(tǒng)標準規(guī)�,；�制造方式��3D打印的獨特優(yōu)勢在于讓看似矛盾的個性化定制和批量化制造融為一體,。理想條件下,，只要你能想到的，就可以用3D打印的方式制造出來,。
　　因此,，3D打印似乎可以被應(yīng)用到各行各業(yè)。在醫(yī)學領(lǐng)域,，3D打印已經(jīng)在諸如牙科,、骨科、假肢等領(lǐng)域推廣應(yīng)用,。不過,，用細胞打印活體組織器官的過程卻與通常的3D打印方式不盡相同，是3D打印醫(yī)學應(yīng)用的制高點,。因為由細胞構(gòu)成的生物體是在生長和不斷變化的,，計算機中構(gòu)建的虛擬模型并非終極目標所在，時間是三維之外的又一重要緯度,。
　　生物學中一個著名實驗是3D打印細胞組織的理論基礎(chǔ)：將老鼠的動脈血管切成類似甜甜圈的一段一段,，再將它們整齊排列放在培養(yǎng)液中培養(yǎng)72小時后，“甜甜圈”又重新連接形成可以輸送血液的功能性血管,。
　　正因為這種生物體強大的“自組織”功能,，科學家們想到將細胞按照組織器官的方式排列堆積，再通過培養(yǎng)和誘導控制細胞分化,，就有可能形成一個具有功能的器官組織,。“在整個組織構(gòu)建過程中,，3D打印機充當了將單個細胞精準堆積的技術(shù)工具,，尤其面對組織內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時，3D打印優(yōu)勢盡顯,�,！毙煦懚鹘忉尅�
　　用3D打印的方法,，徐銘恩成功用脂肪干細胞重建了包含脂肪和胰島的體外組織,。通過高濃度營養(yǎng)物質(zhì)加強培養(yǎng)記錄了這塊3D打印的脂肪組織“變肥”的過程，觀察打印在脂肪中胰島的胰島素分泌的變化進一步驗證了組織對人體生理功能的仿真,。
　　2012年4月,，這一成果被全球重要學術(shù)刊物《生物材料》（Biomaterials）的一篇關(guān)于組織工程快速構(gòu)建趨勢的評論文章贊譽為同行業(yè)中“極具魅力,、最高水平”的成果，并在文章結(jié)尾對其應(yīng)用前景做出預(yù)測,。

　　年輕的教授并不滿足于讓成果停留于學術(shù),，2013年1月成立的捷諾飛生物科技就是徐銘恩將學術(shù)成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)的平臺。通過研發(fā),、銷售生物3D打印機,、提供生物3D打印服務(wù)等，2014年捷諾飛生物科技公司的銷售收入已經(jīng)達到數(shù)百萬人民幣,，客戶包括默克等全球排名前十的制藥巨頭,。
　　今年上半年，捷諾飛完成A輪融資,，估值達3億人民幣,。
　　徐銘恩出生于浙江杭州的一個醫(yī)生家庭。從小在各種物理競賽中展現(xiàn)天賦的他原本希望攻讀物理相關(guān)專業(yè),，但高中時一直陪伴自己成長的外公的突然離世讓徐銘恩頗受觸動,。
　　“即便當時外公已經(jīng)得到了最好的救治，但在ICU病房里,，我們眼看著外公因腦溢血導致器官衰竭離去,，卻無能為力�,！毙煦懚骰貞�,，“由此我對醫(yī)學產(chǎn)生興趣，但并不想做一名醫(yī)生,，而是希望研究如何通過醫(yī)學技術(shù)創(chuàng)新來挽救更多生命,。”
　　從本科到研究生,，徐銘恩跨越了從藥學到生物醫(yī)學工程,、材料、儀器等不同專業(yè)領(lǐng)域,，直到取得博士學位,。2004年，3D打印引起徐銘恩的強烈興趣,，而他的跨學科背景恰恰成為跨入生物3D打印研究的優(yōu)勢,。2005年他申請到清華大學機械系做3D生物打印相關(guān)研究的博士后，師從被譽為“中國3D打印第一人”的顏永年教授,。從一開始,，徐銘恩便把打印細胞作為主要研究方向。
　　然而,，實驗的進展并不如徐銘恩料想的那么順利,。要讓3D打印機打印出來的細胞存活下來就是一個難題,，不僅如此，打印出來的組織還必須保持相應(yīng)的結(jié)構(gòu),。
　　在剛開始的半年多時間里,，徐銘恩幾乎毫無進展,。他發(fā)現(xiàn)不是細胞在打印過程中受到損傷而無法存活,，就是堆積起來的組織結(jié)構(gòu)莫名其妙地解體、消失,；好不容易讓細胞活下來了,，他又遇到另一個“幸福的煩惱”——細胞因為瘋長而完全吞噬了之前設(shè)置的組織結(jié)構(gòu)。自認為“實驗高手”的徐銘恩幾乎絕望：“我?guī)缀醯搅朔艞壍倪吘�,�,！?br /> 　　直到2006年夏天，徐銘恩意外發(fā)現(xiàn)自己用脂肪干細胞培養(yǎng)的一塊組織不但存活,，而且保留了完美的組織結(jié)構(gòu),。“從那一刻起,，我終于覺得自己做的事情不再是天方夜譚,。”他說,，并透露自己和同伴曾嘗試用油煎了這塊“人造脂肪”,，甚至品嘗了它的味道。這一突破性的進展讓徐銘恩獲得國家自然基金的支持,。
　　用3D打印諸如肝臟,、腎臟等復(fù)雜的器官組織則難度更大。在突破脂肪組織后,，徐銘恩和團隊成功打印出了具備肝臟基本功能的肝臟組織,。肝小葉是肝臟結(jié)構(gòu)與功能的基本單位，由中央靜脈,、肝板,、肝血竇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成，每個高2毫米,、寬1毫米的肝小葉由大約10萬個肝細胞組成,。
　　基于逆向設(shè)計思維，徐銘恩團隊首先徹底破解了肝小葉的組織架構(gòu),，并以此在計算機上設(shè)計出肝小葉的三維圖紙,，再用“肝細胞墨水”打印出由成千上萬個肝小葉組成的肝臟組織雛形，通過培養(yǎng)液的控制培養(yǎng),，形成真正的肝臟組織,。
　　生物3D打印是一個新興學科,，全球發(fā)展也只有10多年時間，在這方面徐銘恩顯然走在了前列,。由于整個產(chǎn)業(yè)都處于起步階段,，在做細胞3D打印的同時，徐銘恩還必須投入精力開發(fā)新的3D生物打印設(shè)備,。
　　然而,，長期依靠國家資金支持已經(jīng)不能滿足徐銘恩的需求，徐銘恩想到結(jié)合商業(yè)發(fā)展技術(shù)成果,�,！斑@是個跨學科的行業(yè)，但是產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于早期萌芽狀態(tài),，所以很多人才畢業(yè)后不得不另行擇業(yè),，留住人才是我創(chuàng)立捷諾飛的初衷之一�,！毙煦懚髡f,。在得到300萬元的天使投資后，徐銘恩成立了公司,。
　　用3D打印出用于器官移植的完整肝臟,、腎臟等仍然有待時日，但徐恩銘在3D打印細胞組織方面的成果已經(jīng)足以服務(wù)龐大的商業(yè)市場,，藥物篩選就是其中的代表,。僅美國每年新藥研發(fā)的投入就達數(shù)百億美元，而諸如輝瑞,、賽諾菲等國際制藥巨頭每年新藥研發(fā)投入更是達到80億至90億美元,。如此巨大的投入之下，全球每年產(chǎn)生的原創(chuàng)新藥卻只有4到5個,。
　　“藥物前期篩選效率低下是導致這一結(jié)果的主要原因,。”徐銘恩稱,。藥物的高通量篩選技術(shù)是以分子水平和細胞水平的實驗方法為基礎(chǔ),，但因為脫離了相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境，而使得實驗結(jié)果大打折扣,；動物模型試驗時因動物和人存在種屬差異,，很多在動物實驗中取得效果的藥物在人身上不起作用，甚至起反作用,，這也極大影響了實驗結(jié)果的準確性,。“3D細胞打印的人體組織恰恰解決了影響藥物篩選準確性的兩個主要問題,，可以高度提升藥物篩選效率,，”徐銘恩肯定地說,，“我們預(yù)計這一市場的規(guī)模可以達到10億美元,�,！�
　　被視為全球3D生物打印創(chuàng)新領(lǐng)導者、已在納斯達克上市的創(chuàng)新器官公司（OrganovoHoldings,Inc.）同樣是一家以提供3D打印細胞組織產(chǎn)品和相關(guān)服務(wù)的先鋒公司,。這家年銷售77萬美元,、凈虧損達到3,200萬美元的公司在今年9月的市值約3.8億美元。2014年他們推出自己的3D打印人體肝臟組織產(chǎn)品exVive3D,，并宣稱獲得約200萬美元訂單,。他們計劃2016年推出人體腎臟組織產(chǎn)品,，并涉足3D生物打印機領(lǐng)域,。

　　今年10月，捷諾飛也將正式宣布對外銷售商品化的3D打印肝臟組織產(chǎn)品Regenovo3D Liver,；與此同時,，代表更高效率的下一代多功能生物3D打印工作平臺也將面世。新的3D打印平臺功能全面,、操作便捷,，可以將復(fù)雜組織單元的打印效率提升到每小時36個，而且良品率幾乎達到100%,。毋庸置疑,，創(chuàng)新器官公司將遭遇一個來自中國的強大競爭對手�,！盁o論在營收還是技術(shù)方面,，我們都自信可以做得更好�,！毙煦懚鞣Q,。
　　醫(yī)用輔具市場是捷諾飛看好的另一大市場，包括醫(yī)用手術(shù)導板,、手術(shù)模擬和醫(yī)用康復(fù)輔市場,，捷諾飛把目光放在了門檻較高的個性化術(shù)前模擬的服務(wù)提供方面�,！耙酝�手術(shù)成敗與醫(yī)生的臨床經(jīng)驗關(guān)系密切,，但是有了3D打印后，我們可以在手術(shù)以前把病人需要做手術(shù)的部位完全仿真出來,，讓醫(yī)生以此制定手術(shù)方案,，甚至實際操作演練�,！毙煦懚髡f,。
　　左心耳封堵術(shù)就是一項極其考驗醫(yī)生臨床能力的心臟手術(shù),。左心耳是長在左心臟上的一個小耳朵，全球大約有10%的人在發(fā)育過程中不能封閉,，而血液長期滯留在左心耳中凝結(jié),，一旦出來極易導致血栓。全球大醫(yī)療公司推出了左心耳封堵器,，依次來防止左心耳中的凝結(jié)的血液外流,。
　　然而，這一手術(shù)給醫(yī)生造成極大困擾,，原因在于每個病人左心耳的位置以及左心耳的大小都各不相同,，而在手術(shù)過程需要X光照射，所以手術(shù)時間對于減少病人和醫(yī)生的輻射都極其重要,。針對這一需求,，捷諾飛在手術(shù)前對病人手術(shù)部位進行數(shù)據(jù)收集，并3D打印制作出相關(guān)手術(shù)模型,，讓醫(yī)生在手術(shù)前就選擇好合適的封堵器,。“我們的服務(wù)讓手術(shù)時間減少了2/3,，目前正在為一些全球大公司服務(wù),。”徐銘恩說,。
　　相比器官移植,，3D生物打印在整形和軟骨修復(fù)方面的應(yīng)用市場已經(jīng)啟動。脂肪組織的打印技術(shù)已經(jīng)比較成熟,，它們作為可以避免產(chǎn)生排異反應(yīng)的隆胸手術(shù)填充物可能會是絕佳的選擇,，而且市場空間廣闊。軟骨修復(fù)同樣是一塊觸手可及的潛力市場,，在徐銘恩的實驗室,，打印一個耳朵的軟骨已經(jīng)是輕而易舉的事情。
　　徐銘恩還在嘗試一些有挑戰(zhàn)性的項目,，在細胞和電子傳感器芯片之間建立連接,。在一個能夠感受細胞生長的傳感器芯片上打印細胞，通過傳感器檢測細胞的功能以及活性,，從而形成一個細胞芯片,。
　　“目前我們已經(jīng)用這個細胞芯片來做藥物篩選，并且篩選出了一些很有前途的抗腫瘤藥物,，”徐銘恩透露,，“長遠來看，這項技術(shù)如果繼續(xù)發(fā)展下去，我們很可能打印出人造的感官器官,，比如眼球內(nèi)的視網(wǎng)膜,、鼻子內(nèi)的嗅上皮，甚至未來可能把一個器官通過一個接口與人的大腦連接,�,！�
　　“谷歌總工程師庫茲威爾（RayKurzweil）曾預(yù)言，人類已處于永生的邊緣,；我覺得違反自然規(guī)律的永生不一定合理,，而我們工作的最大熱情是讓家人以及很多不認識的人生活得更長久、更健康,�,！痹谝粋�公開演講中徐銘恩如此感慨。
（來自：福布斯中文網(wǎng)）

这是医疗的革命啊