撰文：孫偉

來源：清華大學藤影荷聲

近年來,，3D生物打印技術(shù)迅速發(fā)展,，這項在傳統(tǒng)3D打印概念的基礎(chǔ)上加入“細胞”因素的生物打印技術(shù)，能夠“制造”出想要的人體細胞,、組織甚至人體器官,，給世界范圍內(nèi)需要器官移植的患者帶來了福音。

3D生物打印具有廣闊的臨床應(yīng)用前景,，為更進一步了解這項技術(shù)、以及其發(fā)展現(xiàn)狀及未來前景,，我們邀請到了清華大學生物制造,、生物3D打印知名專家、同時也是相關(guān)課題領(lǐng)頭人——孫偉教授為我們進行簡要的介紹,。

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什么是3D生物打印

3D生物打印以細胞和生物材料為基本單元,，按仿生形態(tài)學、細胞特定微環(huán)境等要求用“三維打印”技術(shù)手段制造出個性化體外三維生物功能結(jié)構(gòu)體,，是工程,、材料,、信息和生命科學等諸多大學科大交叉誕生的新興學科，為21 世紀再生醫(yī)學,、先進醫(yī)療器械等生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了科學,、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的3D生物打印及個性化醫(yī)療器械核心技術(shù),、推動我國現(xiàn)代醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已成為當務(wù)之急,。

隨著工程、材料,、信息和生命科學等諸多大學科的交叉與融合,，3D生物打印技術(shù)在個性化復(fù)雜結(jié)構(gòu)組織器官的制造方面具有顯著優(yōu)勢，正成為推動生物材料和生物醫(yī)學應(yīng)用新領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)和前沿方向,。

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3D生物打印重要戰(zhàn)略性意義

歐盟委員會在《制造業(yè)的未來：2015～2020戰(zhàn)略報告》中提出重點發(fā)展生物材料和3D打印技術(shù),。美國國家科學基金會和國家健康研究院也開展多個與生物3D打印有關(guān)的國家戰(zhàn)略計劃（如美國多部門戰(zhàn)略計劃-組織科學與工程的戰(zhàn)略發(fā)展等）。

在中國,，中國科學院的“國家材料基因組重大專項”和“國家新材料產(chǎn)業(yè)體系重大專項”將3D打印及生物3D打印作為一項突出的創(chuàng)新技術(shù)和支持內(nèi)容專門進行了規(guī)劃,。而中國工程院《2014中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》中特別提及3D打印技術(shù)在航空航天、生物制造領(lǐng)域的先進性和創(chuàng)新性,；中國工程院《生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》則將3D生物打印列為生物醫(yī)學工程新生的增長點和支撐技術(shù),。

2015年，在科技部首先啟動的十三五國家重大科技專項中,，生物醫(yī)用材料研發(fā)與組織器官修復(fù)替代,、干細胞及轉(zhuǎn)化研究、增材制造與激光制造等三個專項,，均將都將生物三維打印作為顛覆性技術(shù)之一,，列入規(guī)劃中。

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技術(shù)發(fā)展的“五大層次

第一個層次,，材料不具備生物相容性,，不需要植入體內(nèi)，故無特殊的生物學需求,。在此階段,，利用3D打印復(fù)雜形狀成型的特點，來制造一些個性化結(jié)構(gòu)件,，多用于制作醫(yī)療模型和體外醫(yī)療器械,，比如外科手術(shù)中設(shè)計輔助模型，制作牙科手術(shù)導板等,；

第二個層次,，使用的材料具有生物相容性但不可降解，在該階段，生物3D打印件開始植入身體,，起到永久支撐作用,，如人工關(guān)節(jié)植入體。假耳移植物也是在該層次得到應(yīng)用,，對于小耳畸形的患者,，利用健康一側(cè)的耳朵的CT數(shù)據(jù)，利用計算機輔助設(shè)計鏡像重構(gòu)另一側(cè)耳朵的模型,，之后調(diào)節(jié)打印工藝和材料參數(shù)制造移植物,。顱骨修復(fù)、股關(guān)節(jié)修復(fù)也利用到類似技術(shù),；

第三個層次,，材料具備生物相容性同時具有生物可降解性。此類材料多通過3D打印技術(shù)制成組織工程支架,，形成高孔隙率結(jié)構(gòu),，將支架填充至損傷部位，材料慢慢被人體降解,、吸收,，自身組織不斷修復(fù)生長，最后支架結(jié)構(gòu)讓位給細胞和組織,，以此修復(fù)受損的人體組織,；

第四個層次，將體內(nèi)提取的多孔組織工程支架上培養(yǎng),，有利于細胞長入,、營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸，同時,，可以實現(xiàn)體外三維培養(yǎng),，利于構(gòu)建體外仿生三維結(jié)構(gòu)生物體?；罴毎?、蛋白以及其他細胞外基質(zhì)與組織工程支架體外共建形成細胞模型、疾病模型,、藥物檢測模型等等,；

在第四個層次的基礎(chǔ)上，干細胞,、組織,、微器官的引入使3D生物打印的范圍更加廣闊，第五個層次體外生命系統(tǒng),、微生理組織,、生命機械等研究更加深入，細胞機器人,、器官芯片,、類人芯片使得我們離人造器官更近一步。

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中心的成就和發(fā)展

清華大學生物制造中心圍繞3D生物打印在制造科學,、材料科學,、信息科學等與生命科學的大交叉大前沿，力圖在仿生生命體構(gòu)建,、組織工程與再生醫(yī)學,、體外生命系統(tǒng)制造等領(lǐng)域取得重大科研突破，建立世界一流,、具有國際影響力的跨學科研究,、教育、人才培養(yǎng)和技術(shù)推廣的生物制造研究中心,，探索并開拓現(xiàn)代工程和制造科學在生物,、生物工程及生物醫(yī)學中的應(yīng)用新領(lǐng)域，并促進生物制造新興學科的發(fā)展,。

中心主要研究內(nèi)容包含如下四個大的方向：

（1）細胞3D打印及在組織工程與再生醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用,。主要包括圍繞細胞3D打印所面臨的材料學、生物學,、制造學等諸多挑戰(zhàn),，研發(fā)新型生物墨水、細胞3D打印工藝和設(shè)備,，特別是研發(fā)胚胎干細胞,、全能干細胞的3D打印技術(shù)，并構(gòu)建包括心肌/心臟,、肝臟,、胰腺、子宮,、肺等大型功能性組織及器官,，探索生物制造在生物醫(yī)療、精準醫(yī)學相關(guān)領(lǐng)域的臨床前應(yīng)用,。

（2）基于細胞3D打印的病理模型制造及在病理學及癌癥治療領(lǐng)域的應(yīng)用,。本部分內(nèi)容聚焦于癌癥的病理、藥理研究,，開發(fā)精確仿生的三維體外模型,，并用來研究組織再生或腫瘤的生物學特征及其發(fā)生、發(fā)展機理,，為組織工程臨床應(yīng)用,、病理學研究,、以及腫瘤診療提供新的手段。

（3）體外微生理系統(tǒng)的生物3D打印及在新藥研發(fā)方面的應(yīng)用,。本研究方向重在研究集成的細胞三維打印技術(shù)與微流控技術(shù),，從單個組織器官芯片的設(shè)計研究，到構(gòu)建更為仿生的三維微生理系統(tǒng),。在未來,，有可能通過高通量細胞芯片、器官芯片,、類人芯片等的設(shè)計制造,，為病理學和藥物研發(fā)帶來技術(shù)革命。

（4）生命機械以及在信號傳遞,、疾病治療中的應(yīng)用,。本方向提出基于三維打印、微制造等先進制造技術(shù),，探索可控運動的細胞機器人,、多細胞生命機械的設(shè)計制造基礎(chǔ)原理及關(guān)鍵技術(shù)。本課題的研究將為今后多功能系統(tǒng)化細胞機器人的研制打下基礎(chǔ),，有可能為信號傳遞,、生物治療、細胞/組織芯片等研究提供新的手段,。

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未來的發(fā)展前景

未來,，3D生物打印技術(shù)有望更加充分地發(fā)揮其在構(gòu)建高精度復(fù)雜三維模型上的優(yōu)勢，成為個性化植入及介入器械制造,、組織工程和體外仿生組織模型構(gòu)建等諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù),，并向著可打印組織個性化，可打印生物墨水多樣化,，建模與打印軟件智能化,，打印設(shè)備集成化的方向不斷發(fā)展。

通過3D生物打印技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)的深度結(jié)合,，未來有望逐步發(fā)展成為成熟人工組織器官體外制造技術(shù),，從而實現(xiàn)在體外或體內(nèi)直接打印活體器官組織，替換失去功能的器官或組織,，這將使得目前臨床移植供體不足等問題在一定程度上得到解決,。

根據(jù)美國市場研究公司Grand View Research預(yù)計，到2022年,，全球生物3D打印市場規(guī)模將達到18.2億美元,，而以3D生物打印技術(shù)為基礎(chǔ)的個性化植入及介入醫(yī)療器械、個性化活體組織器官等產(chǎn)品不但將具有千億的市場空間,，而且將為病損組織器官功能重建提供臨床治療新策略,，給患者和整個社會帶來福音,。

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