科技前沿 性感的3D生物打印,那些你不知道的新領域哪個是你最感興趣的?

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樓主 2021-09-02 11:57:20
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引言

近年來,隨著3D打印熱潮持續高漲,3D打印技術在醫療領域的應用被認為是最有發展潛力的市場,尤其是近兩年呈現爆炸式發展的生物3D打印技術,甚至有望徹底改變臨床器官移植的情況。


長久以來,許多病人等待著可以移植的器官,而由于器官移植需求與可供移植的器官之間存在著巨大的缺口,使得很多病人最后只能在漫長而無望的等待中走向死亡。


3D生物打印技術的出現,為這部分病人帶來了巨大的希望,盡管目前為止生物3D打印技術能夠打印出的產品還遠沒有發展到可以替代人源器官的程度,但是人們在這項飛速發展的技術中,看到的是巨大的希望。


療健康的發展得益于科技的助力,比如有了3D打印,身體器官的定制修復可以更容易實現了。生物工程學家預計,將來或可利用它制造真實的細胞材料。此類技術可以成為個性化生物醫學設備、組織工程皮膚、軟骨和骨骼,甚至是可工作膀胱的基礎。近期發表于《生物技術動向》的特刊中,研究者對3D生物打印的進展及未來幾年甚至幾十年可能實現的設想,進行了梳理與思考。


不斷升溫的3D生物打印

3D生物打印,促進人工血管內皮化的研發項目再獲階段性重大技術突破——全球首創依托干細胞生物墨汁技術構建的3D生物打印血管成功植入恒河猴體內,實現血管再生。這項成果無論是對于干細胞技術還是對于生物3D打印的臨床應用,都具有里程碑式的意義,也給3D生物打印快速發展的這一年做了一個完美的收尾。


3D生物打印市場情況

目前,3D生物打印技術還被認為是處于起步階段,在許多方面都尚不成熟,但是確已開始應用于某些產品或部件,包括牙科和骨科的植入或替代材料、生物墨水、生物傳感器以及一些生物制品。


在這些領域中,應用最廣泛的便是醫療健康領域,市場研究公司Future Market Insights發布的報告稱,全球3D打印醫療設備市場在2016年將達到2.796億美元,并在未來十年保持17.5%的年復合增長率,預計到2022年,醫療3D打印將占據整個3D生物打印技術市場份額的30%。隨著技術的不斷發展,用于器官移植、藥物研發、組織再生和生物藥物的3D打印產品將是在醫療方面應用最廣泛的產品。

2016年3D生物打印領域部分投資事件


除了這部分老司機之外,2016年國內也出現了一部分初創公司,計劃或者已經開始在3D打印市場分一瓢羹,未來國內生物3D打印市場的格局將會如何變化,雖然目前我們還沒有辦法做出回答,但可以肯定的是,生物3D打印的未來一定是非常值得期待的。

國內涉及3D生物打印的公司(部分)


技術發展盤點與趨勢預測

3D打印技術的熱潮從出現開始就似乎沒有減過半分。關于3D生物打印技術的研究和產品的研發也在全球范圍內遍地開花,企業、科研機構等的研究人員不斷地與時間賽跑,希望能搶占到先機,新的成果和進展也就如雨后春筍一樣不斷出現。


關于2016年3D生物打印領域的各種各樣的進展,各家對其定義和評價也不盡相同,筆者基于HSMAP系統的資訊版塊,對已報道的內容進行簡單的匯總與篩選(排名不分先后):


1、科學家將3D打印卵巢植入小鼠并使其成功受孕

4月,美國西北大學科學家公布的研究結果表明,他們使用3D打印機打印出了一個生物支架,培養出產生激素的細胞和成熟卵細胞后,將該卵巢生物假體植入已被切除卵巢的小鼠體內使其成功受孕??茖W家希望這一成果將來能幫助女性恢復生育能力。



2、生物打印筆BioPen問世

4月,澳大利亞伍倫貢大學的團隊開發出一種3D生物打印筆,醫生可以在手術過程中直接拿著這種筆將細胞“畫”在患者受損的骨頭或者軟骨組織上。


3、哈佛一團隊3D生物打印出血管化組織

3月,哈佛一個科學家團隊發表論文表明已經開發出一種方法,可以用人類干細胞、細胞外基質和內襯血管內皮細胞的循環通道3D打印出厚實的血管化組織構造,這使得人類向創制出可用于組織修復和再生的結構更進了一步。


4、哈佛大學研發出3D打印腎小管

11月,哈佛大學的Jennifer Lewis實驗室的科學家邁出了創建人工腎臟的第一步。通過3D打印機,Jennifer Lewis和她的同事創建出了腎小管,能夠為血液流動提供血管網絡,一定程度上可以代替生物捐獻腎臟。



我國政策大力扶持生物3D打印領域的發展

對于3D生物打印這樣的新興技術,國家也是寄予厚望,近年來,尤其是在進入“十三五”這樣一個新周期的時候,國務院、科技部等都陸續出臺了許多政策,重點扶持該領域和技術的發展。


2015年,國家工信部、發改委和財政部共同發布了《國家增材制造產業發展推進計劃(2015-2016年)》,強調了要加快推進我國增材制造(又稱“3D打印”)產業健康有序發展。其中,著重提到的醫用增材制造的相關內容有:



2015年國務院發布的《中國制造2025》明確提出大力推動重點領域突破進展,實現3D生物打印等新技術的突破和應用。


2016年3月,《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》將高性能醫療器械(組織修復與可再生材料、人工器官與生命支持設備、高端醫學影像產品、結合3D打印的個性化治療裝備、醫用生物材料等)納入十三五重點突破領域。


2016年底國務院剛發布的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》指出,要在醫療器械領域大力推動增材制造技術應用,加快發展增材制造服務業;利用增材制造等新技術,加快組織器官修復和替代材料及植介入醫療器械產品創新和產業化。


3D打印和3D生物打印在醫療中的應用進展

最近,3D打印技術在手術計劃中的應用又向前邁進了一步,下面來看一看3D打印在手術計劃中的應用。


1、成功的手術計劃

為患者個性化定制3D打印的解剖模型是3D打印中一種非常有價值的應用形式,不僅節省了寶貴的手術時間,還可以改善患者的預后。


Stratasys旗下的公司已經創造出了3D打印的腦模型;加利福尼亞州的Spinal Elements公司正在制訂脊柱外科手術指南;一些初創公司也已經快速進入到了不斷增長的市場中。


一種為病人個性化定制的3D打印手術腦模型,照片來源:Stratasys Direct Manufacturing

2016年,3D打印使得27小時手術(27-hour surgery)這項卓越的手術成為可能。在3D Systems公司增材制造技術的幫助下,連體雙胞胎Jadon和Anias McDonald成功地進行了27小時手術。


雖然尚未實現商業化,但3D打印在醫學領域進一步發展的設想被認為與3D Systems公司的Figure 4 模塊的應用類似。


2、組織工程v2.0和生物3D打印的骨頭

紐約費恩斯坦醫學研究所教授Daniel A. Grand將再生醫學稱為“組織工程V2.0”。 Grant發表在Nature上的風濕病學綜述解釋了3D生物打印如何將矯形治療提升到下一個等級,特別是通過軟骨的制造。


為了修復骨折,國際上正在研究可進行3D打印的墨水。有些生物墨水是以蠶絲為材料的,而其他一些則結合了陶瓷。


西北大學3D打印的脊柱,照片來源:Shah et al

位于伊利諾伊州的西北大學有著具有超彈性質的3D打印鈣塑骨。這種骨骼在機械測試中表現出了良好的特性,同時有著很好的生物相容性。


在馬斯特里赫特的3D生物打印會議上,研究人員發表了主題為“用于骨組織再生的硬基質和軟基質生物制品”的報告。


3、3D打印的心臟

2016年底,中國國家高技術研究與發展計劃成功地將3D打印的靜脈組織植入活恒河猴體內。這是在臨床前試驗的第一步,試驗的最終目標是希望能夠在人體上獲得成功。



猴子體內3D打印的血管搏動和血流情況的CT圖像,來源:CCTV +

馬薩諸塞州東北大學和佐治亞理工學院的研究人員也開發了自己獨特的3D打印血管的方法。生物科技公司Celprogen甚至發布的證據展示了一個微型3D打印的心臟可以在充滿血液時跳動。


然而,事實是血管組織由多種類型的細胞組成,因此組織的重建只有通過材料和方法的組合才有可能實現。


在發表于Circulation Research2017上的一篇題為《從微型器件到3D打?。?D心血管組織的制造》的文章中,作者Anton V.Borovjagin、Brenda M.Ogle、Joel L.Berry和Jianyi Zhang表示,3D生物制造出一個完整的心臟可能是最合理的方法。作者還概述了合成貼片對于這種復雜器官是遠遠不足的,因此該方法將取代目前還在不斷探索研究的模塊化方法。


由于能夠復制心臟對物質的反應,即使沒有動物實驗,哈佛的3D打印心臟芯片模塊和其他芯片實驗室技術研究的未來也是樂觀的。



心臟芯片的生物打印,來源:哈佛John A. Paulson工程與應用科學學院

劍橋大學Yan Yan Shery Huang的研究小組“Biointerface”涉及器官芯片技術和電控的3D生物打印,其研究是劍橋大學英國癌癥研究中心的一部分。


3D生物制品和芯片實驗室技術將如何影像患者的健康還有待進一步的解答。


小結

對于3D生物打印行業的發展,要明確的是3D打印技術應該是服務于醫療的工具,最終要實現的目的就是落實到臨床。中國的3D生物打印還有許多領域需要突破,但與不斷開拓創新同樣重要的是這些成果的轉化和落地,真正實現其價值。如今3D生物打印儼然已經是被捧上了天,但究竟是結結實實摔下來還是穩穩落地兌現期望,還言之尚早。



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