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(shí)驗(yàn)室工廠里,，徐銘恩正在用3D打印機(jī)高速打印一個(gè)個(gè)半透明的“果凍”。不過,，這里不是食品加工廠,。

　　一臺(tái)外觀看上去充滿未來感的銀色生物3D打印機(jī)依據(jù)電腦中的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)圖，噴射出人體活細(xì)胞和凝膠材料,。猶如用混凝土構(gòu)件微型建筑,，3D打印機(jī)中的“細(xì)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(dǎo)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(gè)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(shí)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(xué)教授,、博導(dǎo),、捷諾飛生物科技公司創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家。
　　當(dāng)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(fèi)用高昂,，而且需求與供體比例嚴(yán)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)模化制造方式,，3D打印的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于讓看似矛盾的個(gè)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(xué)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(xì)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(xué)應(yīng)用的制高點(diǎn),。因?yàn)橛杉?xì)胞構(gòu)成的生物體是在生長(zhǎng)和不斷變化的，計(jì)算機(jī)中構(gòu)建的虛擬模型并非終極目標(biāo)所在,，時(shí)間是三維之外的又一重要緯度,。
　　生物學(xué)中一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)是3D打印細(xì)胞組織的理論基礎(chǔ)：將老鼠的動(dòng)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(shí)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?yàn)檫@種生物體強(qiáng)大的“自組織”功能,，科學(xué)家們想到將細(xì)胞按照組織器官的方式排列堆積，再通過培養(yǎng)和誘導(dǎo)控制細(xì)胞分化,，就有可能形成一個(gè)具有功能的器官組織,。“在整個(gè)組織構(gòu)建過程中,，3D打印機(jī)充當(dāng)了將單個(gè)細(xì)胞精準(zhǔn)堆積的技術(shù)工具,，尤其面對(duì)組織內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)，3D打印優(yōu)勢(shì)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(xì)胞重建了包含脂肪和胰島的體外組織,。通過高濃度營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)加強(qiáng)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(jìn)一步驗(yàn)證了組織對(duì)人體生理功能的仿真,。
　　2012年4月，這一成果被全球重要學(xué)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(shì)的評(píng)論文章贊譽(yù)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(duì)其應(yīng)用前景做出預(yù)測(cè)。

　　年輕的教授并不滿足于讓成果停留于學(xué)術(shù),，2013年1月成立的捷諾飛生物科技就是徐銘恩將學(xué)術(shù)成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)的平臺(tái),。通過研發(fā)、銷售生物3D打印機(jī),、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(dá)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(dá)3億人民幣,。
　　徐銘恩出生于浙江杭州的一個(gè)醫(yī)生家庭,。從小在各種物理競(jìng)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(shí)一直陪伴自己成長(zhǎng)的外公的突然離世讓徐銘恩頗受觸動(dòng),。
　　“即便當(dāng)時(shí)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(dǎo)致器官衰竭離去,，卻無能為力,。”徐銘恩回憶,，“由此我對(duì)醫(yī)學(xué)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(xué)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(xué)到生物醫(yī)學(xué)工程、材料,、儀器等不同專業(yè)領(lǐng)域,，直到取得博士學(xué)位。2004年,，3D打印引起徐銘恩的強(qiáng)烈興趣,，而他的跨學(xué)科背景恰恰成為跨入生物3D打印研究的優(yōu)勢(shì)。2005年他申請(qǐng)到清華大學(xué)機(jī)械系做3D生物打印相關(guān)研究的博士后,，師從被譽(yù)為“中國(guó)3D打印第一人”的顏永年教授,。從一開始，徐銘恩便把打印細(xì)胞作為主要研究方向,。
　　然而,，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展并不如徐銘恩料想的那么順利。要讓3D打印機(jī)打印出來的細(xì)胞存活下來就是一個(gè)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(shí)間里,，徐銘恩幾乎毫無進(jìn)展,。他發(fā)現(xiàn)不是細(xì)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(xì)胞活下來了，他又遇到另一個(gè)“幸福的煩惱”——細(xì)胞因?yàn)榀傞L(zhǎng)而完全吞噬了之前設(shè)置的組織結(jié)構(gòu),。自認(rèn)為“實(shí)驗(yàn)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(xì)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)�,！皬哪且豢唐�,，我終于覺得自己做的事情不再是天方夜譚�,！彼�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(jìn)展讓徐銘恩獲得國(guó)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(tuán)隊(duì)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(gè)高2毫米,、寬1毫米的肝小葉由大約10萬個(gè)肝細(xì)胞組成,。
　　基于逆向設(shè)計(jì)思維，徐銘恩團(tuán)隊(duì)首先徹底破解了肝小葉的組織架構(gòu),，并以此在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出肝小葉的三維圖紙,，再用“肝細(xì)胞墨水”打印出由成千上萬個(gè)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(gè)新興學(xué)科，全球發(fā)展也只有10多年時(shí)間,，在這方面徐銘恩顯然走在了前列,。由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)都處于起步階段，在做細(xì)胞3D打印的同時(shí),，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(zhǎng)期依靠國(guó)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(gè)跨學(xué)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,。”徐銘恩說,。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(shí)日,，但徐恩銘在3D打印細(xì)胞組織方面的成果已經(jīng)足以服務(wù)龐大的商業(yè)市場(chǎng)，藥物篩選就是其中的代表,。僅美國(guó)每年新藥研發(fā)的投入就達(dá)數(shù)百億美元,，而諸如輝瑞,、賽諾菲等國(guó)際制藥巨頭每年新藥研發(fā)投入更是達(dá)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(gè),。
　　“藥物前期篩選效率低下是導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因�,！毙煦懚鞣Q,。藥物的高通量篩選技術(shù)是以分子水平和細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)，但因?yàn)槊撾x了相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境,，而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果大打折扣,；動(dòng)物模型試驗(yàn)時(shí)因動(dòng)物和人存在種屬差異，很多在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性�,！�3D細(xì)胞打印的人體組織恰恰解決了影響藥物篩選準(zhǔn)確性的兩個(gè)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(jì)這一市場(chǎng)的規(guī)�,？梢赃_(dá)到10億美元�,！�
　　被視為全球3D生物打印創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者,、已在納斯達(dá)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(xì)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(dá)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(jì)劃2016年推出人體腎臟組織產(chǎn)品,，并涉足3D生物打印機(jī)領(lǐng)域。

　　今年10月,，捷諾飛也將正式宣布對(duì)外銷售商品化的3D打印肝臟組織產(chǎn)品Regenovo3D Liver,；與此同時(shí)，代表更高效率的下一代多功能生物3D打印工作平臺(tái)也將面世,。新的3D打印平臺(tái)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(shí)36個(gè),，而且良品率幾乎達(dá)到100%,。毋庸置疑，創(chuàng)新器官公司將遭遇一個(gè)來自中國(guó)的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,�,！盁o論在營(yíng)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(chǎng)是捷諾飛看好的另一大市場(chǎng)，包括醫(yī)用手術(shù)導(dǎo)板,、手術(shù)模擬和醫(yī)用康復(fù)輔市場(chǎng),，捷諾飛把目光放在了門檻較高的個(gè)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(yàn)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(shí)際操作演練�,！毙煦懚髡f,。
　　左心耳封堵術(shù)就是一項(xiàng)極其考驗(yàn)醫(yī)生臨床能力的心臟手術(shù)。左心耳是長(zhǎng)在左心臟上的一個(gè)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(zhǎng)期滯留在左心耳中凝結(jié)，一旦出來極易導(dǎo)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(gè)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(shí)間對(duì)于減少病人和醫(yī)生的輻射都極其重要。針對(duì)這一需求,，捷諾飛在手術(shù)前對(duì)病人手術(shù)部位進(jìn)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,�,！拔覀兊姆���(wù)讓手術(shù)時(shí)間減少了2/3，目前正在為一些全球大公司服務(wù),�,！毙煦懚髡f。
　　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(chǎng)已經(jīng)啟動(dòng),。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(huì)是絕佳的選擇，而且市場(chǎng)空間廣闊,。軟骨修復(fù)同樣是一塊觸手可及的潛力市場(chǎng),，在徐銘恩的實(shí)驗(yàn)室，打印一個(gè)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(xiàng)目,，在細(xì)胞和電子傳感器芯片之間建立連接。在一個(gè)能夠感受細(xì)胞生長(zhǎng)的傳感器芯片上打印細(xì)胞,，通過傳感器檢測(cè)細(xì)胞的功能以及活性,，從而形成一個(gè)細(xì)胞芯片。
　　“目前我們已經(jīng)用這個(gè)細(xì)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(zhǎng)遠(yuǎn)來看,，這項(xiàng)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(gè)器官通過一個(gè)接口與人的大腦連接�,！�
　　“谷歌總工程師庫(kù)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(rèn)識(shí)的人生活得更長(zhǎng)久,、更健康�,！痹谝粋�(gè)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