登录 | 注册 | 加入收藏
当前位置: 首页 > 信息中心 > 最新动态
徐铭恩:生物3D打印是3D打印技术研究最前沿领域

 

首届世界3D打印技术产业大会于5月29-31日在北京中国大饭店隆重举行。在会上,杭州电子科技大学生物制造研究所教授徐铭恩发表演讲称,生物3D打印是3D打印技术研究最前沿的领域。“说到生物3D打印还有一个概念叫生物制造,这也是我国生物3D打印的前驱颜永年教授提出的一个概念,就是以3D打印为基础的生物医学,为制造技术在生物医学方面的应用开辟了新的领域。”

  做生物3D打印的原因有两点:一、生物医学领域的市场规模特别巨大;二、生物3D打印在医学领域应用前景特别巨大。

  目前在生物3D打印领域的研究和应用:一、细胞3D打印;二、细胞3D打印技术在药物研发领域的应用也非常广泛;三、细胞芯片;四、手术器械的3D打印。

 

  杭州电子科技大学生物制造研究所教授徐铭恩

  以下为杭州电子科技大学生物制造研究所教授徐铭恩演讲实录:

  徐铭恩:女士们、先生们,大家上午好!下面由我简要给大家介绍一下生物医学的3D打印,初步给我们介绍一下我们在这个领域做的一些工作。

  所谓的生物3D打印,首先面向的问题是生物医学的问题,以三维设计模型为基础,通过软件分层离散和数控成型的方法,用3D打印的方法成型生物材料,特别是细胞等材料的方法,就叫生物3D打印。生物3D打印是3D打印技术研究最前沿的领域,说到生物3D打印还有一个概念叫生物制造,这也是我国生物3D打印的前驱颜永年教授提出的一个概念,就是以3D打印为基础的生物医学,为制造技术在生物医学方面的应用开辟了新的领域。

  为什么做生物3D打印?我想在今天的《对话》节目中已经提到了一些,我这里总结了一下,有两点,第一个是生物医学领域的市场规模特别巨大,这是2009年美国卫生部做的一个调查,2009年美国在医疗卫生方面的开支达到2.5亿美元,约占美国GDP的17.6%,国民收入的40%。美国卫生部进一步预测,到2018年美国在医疗方面的支出将达到GDP的20.3%,所以这个领域非常巨大。我想任何一个技术出来,有两个最赚钱的领域,一个就是医学、一个就是军事。

  第二点,生物3D打印在医学领域应用前景特别巨大。为什么呢?因为生物3D打印技术所具有的快速性、准确性,及擅长制作复杂形状实体的特性使它在生物医学领域有着非常广泛的应用前景。为什么?每个人的身体构造、病理状况都存在特殊性和差异化,当3D打印与医学影像建模、与仿真技术结合之后,就能够在人工假体、植入体、人工组织器官的制造方面产生巨大的推动效应。

  下面,我来讲一下我们实验室在过去几年在生物3D打印领域的研究和应用。第一个,我们来介绍细胞3D打印。这是我们实验室的一个年轻的研究生,他手里拿的是刚刚打印出来的肝单元的结构。在组织器官三维模型指导下,由3D打印机接受控制指令,定位装配或细胞材料单元,制造组织或器官前体的新技术。我们看到,图上这些细胞自发的迁移、扩散、自组织,重新形成了一个器官,也就是说如果我们能将细胞定位的放在我们所需要的位置上,那么我们就可以制造出我们所需要的器官。

  细胞3D打印技术经历了这么一个发展的历程,有很多大学,包括清华大学、Slemson大学都是这方面的先驱者。这是第一种技术,叫Cell Printing技术,它的技术原理是将细胞打印在一层一层的特殊热敏材料上,打印完之后将材料叠加起来就得到我们需要的结构,第一台3D细胞打印机是由正常的打印机改的,这是它的喷头,这是打印出来的结构,由细胞组成。这是3D Bioplotter,是将细胞与琼斯基复合材料共混,挤出成型在具有交联剂的底板上,层层叠加。这个是孙伟教授做的平台,集成了基于气动使能连续挤出成型3个喷头,打印一层喷射一次交联剂,可以进行药物毒性试验的肝单元结构。这个是清华大学的细胞组装技术,它是将细胞与水凝较材料共混,挤出成型在低温成型腔内。

  细胞3D打印的应用领域有这么几个,第一个是实验室的领域,它可以为再生医学、组织工程、干细胞、癌症等等领域提供非常好的一个研究工具。我们在跟一些学者聊的时候,甚至认为它可以做到像PCR技术和膜片钳技术的推动作用,由于它的这样一个推动作用,获得了诺贝尔奖。第二个可以为构建和修复组织器官提供新的临床医学技术,第三是开发全新的高成功率的技术,这个市场也是非常巨大的。这是我们前段时间做的人工肝单元的3D打印,因为我们打印好这个结构后,并不知道内部设计的通道是否通畅,我们建立了全新的一套3D成型系统。我们可以看到,我们所构建的这项通道有没有产生。这个是我们细胞培养两周之后所看到的细胞在这个结构内生长非常良好,而且我们要构建的通道也形成了。这个是我们开发的一台专门用来进行肝脏肝单元培养的设备,它可以控制温度、流量等等这些参数,这个也是组织工程中非常重要的一个东西,就是这个生物反应器。这个是我们对肝脏做的大概持续8周的肝功能检测,可以看到,在我们的这个结构里,肝脏功能维持得非常好。这是我们另外的一些尝试做的人工组织器官的工作,这是3D打印细胞的软骨组织,这是我们细胞3D打印的皮肤组织,都是用相应的皮肤或者软骨细胞来打印的。

  第二个,除了做人工的组织器官以外,细胞3D打印技术在药物研发领域的应用也是非常广泛的。这是一个数据,这是2011年美国制药工业协会新药研发投入,大概是674亿美元,而其中光辉瑞一家就投资了94亿美元,一年这样投下去能产生几个药呢?大概0.5个药还不到,这几年真正原创型新药的产生速度很慢,大概只有2—3个,有3个已经很不错了。所以说,药物的开发产业是一个投入非常大,但是成功率很低的产业。原因是什么呢?这是一个典型的药物筛选图,我们可以看到,首先,进行的一个叫做高通量的筛选,高通量筛选是基于什么呢?基于蛋白质和单细胞水平的,然后,当高通量筛选完后,我们筛选出一些所谓的候选药物,然后进行动物试验。在动物试验中,我们有发现一万个化合物,筛选出一百个候选物,可能在动物试验中只有一个有效果,等的它到了人体以后,一个都没有了,原因是什么?是因为这里有一个缺口,什么缺口?在单细胞、蛋白质以及动物之间,缺乏一个中间过渡阶段的筛选。我们知道,人内部的调控网络是很复杂的,单个蛋白质的增加或降低,并不能说明这个化合对人体有什么效果,有的时候可能效果是完全截然相反的。所以说,我们认为如果用3D打印技术构建人工的组织器官,这个东西可以用来进行药物的筛选。

  这是我们做的一部分工作,这是我们用细胞3D打印技术打印了一个代谢综合症的模型,包括糖尿病、肥胖、高血压、高血脂、心肌梗塞一系列的疾病。大概人口死亡的40%以上是死于代谢综合症,正因为这个病那么重要,所以我们在体外构建了一个代谢综合症的模型,这是一个体内调控系统的结构,我们在体外构建了一个这样的结构。这是我们构建的细胞打印获得的能量代谢的系统模型图,可以看到细胞在里面的生长非常良好,我们把人类的胰岛细胞也放在这个结构中,形成了一个我们所需要的有通讯的三维模型。这是我们模型做的一些结果,可以看到,在这个模型中,人类的胰岛素的分泌跟我们的基体的分泌是非常一致的,而且在长时间的葡萄牙的刺激之后,相当于是仿着我们人体糖尿病的病理,我们可以发现,分泌峰降低而且延迟。这是我们对相关的葡萄牙代谢、脂肪酸代谢,以及脂肪细胞分泌素的研究,相对于传统的模型,这个更接近体内的真情况。

  除此以外,我们还做了细胞芯片的工作,这是我们设计的细胞芯片,现在的芯片加工工艺,可以在细胞上加工各种芯片传感器。虽然我们可以做出这样的复杂的结构来,但是目前来说,在往上面放细胞的过程中,有点像是一个撒种子的时候,就这样盲目地撒下去,哪里有、哪里没有,并不能控制,所以我们做的工作就是细胞三维打印技术,在芯片上打印细胞,这是我们做的一部分工作,在不同位置打印不同的细胞,图上这个我们打印的是心肌细胞,这两个刺激点产生刺激,心肌会产生一个动作电位的传递,其他我们测的是一种肾上腺素来源的细胞,这些细胞的工作,它们的增值都能够被芯片同步检测到。

  这是我们后来跟一个杭州细胞芯片公司合作的一个芯片,到后来,我们做下去之后,放弃了其他的传感器,只用一种IDA的传感器。但是每个位置都能够打印上不同的细胞,这就允许我们同步检测,在同一种物理因子或者化学因子刺激下,不同细胞的不同生理反应。这是我们当时做的研究,我们用这种方式非常准确地进行了肿瘤药物的筛选,而且这个筛选过程中同时做到两件事情,第一个,我们把最有效的药物筛选出来,第二个,我们把毒副作用最小的药物也筛选出来。在这个系统中,我们可以同步做到这两点。

  第二部分是组织工程支架和植入物的3D打印。在美国,骨植入修复材料市场每年超过200亿美元,这是一个个性化骨组织工程支架的工程,首先是3D数据的获取,在获取之后,是3D数据的处理,包括3D模型的建立,包括一个有限源的分析,根据有限源分析的结构和受力类型,我们可以对材料的不同部位进行一个复制,最后在打印过程中可以采取不同的编制方法,从而用最少的材料达到最大的机械强度。

  这是一台打印的设备,是清华大学一套低温沉积系统,这是我们做的一些结构。这个是我们用骨支架材料做的生物学的检测,我们给它种上了一种干细胞,经过几周培养之后,我们发现骨胶原的分泌非常的旺盛,而且出现了钙结节。这是我们做的动物试验,可以看到,我们的支架是有孔的,每一个孔里面都长进去一到两根血管,这在骨组织工程上是非常重要的,所以说,在12周后,可以看到我们的材料全部降解了,而且形成了大量的软骨,而且骨细胞还在快速的增殖,这是我们对于植入的骨支架的研究。当然,这部分研究刚刚开始,我们还尝试在个性化的假体的3D打印。

  这是参加残疾人运动会一个很有名的运动员,他的旁边有一假肢,在我国,肢体残疾人有800多万,至少有70万需要安装假肢,假肢结构和外形的设计制造都直接影响多患者使用假体的舒适度和功能。目前,美国一家公司提供的假肢大概是5000美元一个。

  这是我们的工作,和一个研制机械手的教授合作的,我们做了一个机械手,这个机械手有很好的力量控制和空间多维度的力量控制,但是机械手还是需要跟人的真手有一个非常好的接受腔。

  第四个工作是手术器械的3D打印,齿科手术模板,这是一个种牙的过程,在螺钉打进去的过程中需要避开旁边的血管和神经,以前得靠医生的经验来完成,我们可以用3D打印技术做一个模型,只要放到病人的嘴巴里面,根据那些孔你打下去,位置就对了。

  最后,我们最近还做了一个下颚修复手术的模板。这是猴子的下颚修复手术,我们打印了模板之后,就可以做相应的加工。谢谢大家!