盤點(diǎn)：2016年生物3D打印領(lǐng)域突破進(jìn)展

在過(guò)去2016年一年中，國(guó)內(nèi)外生物3D打印技術(shù)取得了許多重大突破。例如3D打印人體腎臟，打印生物血管在體實(shí)驗(yàn)成功。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到重視，最大程度恢復(fù)人體機(jī)能的正常功能。而生物3D打印與醫(yī)療3D打印是不同的方向，確實(shí)，3D打印為生物發(fā)展鋪平了道路，這也得益于3D打印機(jī)獨(dú)特的重建人體組織結(jié)構(gòu)能力。接下來(lái)，南極熊將為大家盤點(diǎn)2016年生物3D打印領(lǐng)域的十大進(jìn)展，和大家一起回顧這一年3D打印在生物領(lǐng)域的重要事件。

藍(lán)光英諾3D生物打印血管在體實(shí)驗(yàn)成功
熊眼都愣住了，我國(guó)藍(lán)光英諾生物3D打印血管，用到30只猴子身上

2016年12月11日，四川藍(lán)光英諾生物科技股份有限公司向全球發(fā)布了由其團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國(guó)家“863”計(jì)劃的3D生物打印促進(jìn)人工血管內(nèi)皮化的研發(fā)項(xiàng)目取得的重大突破：3d打印生物血管成功植入恒河猴體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)血管再生。

截至 2016 年 12 月 1 日，藍(lán)光英諾已完成 30 只恒河猴 3D 生物打印血管體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物術(shù)后存活率為 100%。術(shù)后對(duì)植入血管取出進(jìn)行功能觀察，截至 2016 年 12 月 1 日，對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物植入血管的結(jié)構(gòu)和功能一致性觀察分別從最短 1 天內(nèi)即時(shí)觀察到最長(zhǎng)104 天持續(xù)觀察不等，在實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在 3D 生物打印血管植入后，其脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞均有序分化為內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等血管組織，在 3D 生物打印血管再生完成后，其結(jié)構(gòu)和功能均與實(shí)驗(yàn)動(dòng)物自身血管的結(jié)構(gòu)和功能一致，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物各項(xiàng)生理指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原定實(shí)驗(yàn)預(yù)期一致有效，且打印材料取自實(shí)驗(yàn)動(dòng)物自體的脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞，保證了該血管移植在體內(nèi)的安全性，藍(lán)光英諾研發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)定該動(dòng)物實(shí)驗(yàn)取得成功。

哈佛大學(xué)研發(fā)出3D打印腎小管
哈佛又出黑科技：3D打印出“活的”腎臟結(jié)構(gòu)

在3D打印技術(shù)方面領(lǐng)先全球的哈佛大學(xué)近日又取得了重要的新進(jìn)展 — 他們利用生物3D打印機(jī)創(chuàng)建出了能模擬部分人類腎臟功能的近端小管結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)雖然體積不大，但對(duì)于整個(gè)腎臟及其過(guò)濾功能來(lái)說(shuō)卻十分重要，所以，這項(xiàng)成絕對(duì)可以說(shuō)是生物3D打印領(lǐng)域的又一大突破。

據(jù)了解，要完成3D打印腎小管，首先要在室溫下用一種含有人類干細(xì)胞的凝膠支撐3D組織網(wǎng)格。隨后再使用另一種可在冷卻時(shí)變成液體的凝膠流出網(wǎng)格，以留下可生長(zhǎng)的血管。將材料封閉在細(xì)胞外基質(zhì)中，將生長(zhǎng)因子加入到中空通道中，以促使干細(xì)胞分化成特定的細(xì)胞類型。這種3D打印的腎小管可以存活超過(guò)兩個(gè)月。

英國(guó)科學(xué)家開發(fā)出新型干細(xì)胞生物墨水
新型干細(xì)胞生物3D打印墨水：能打印出骨骼和軟骨

英國(guó)布里斯托大學(xué)（UB）的科學(xué)家就又開發(fā)出了一種新的生物墨水 — 它混合有干細(xì)胞并且能很好地支持后者的生長(zhǎng)，所以很適合3D打印軟骨和骨骼植入物等人工結(jié)構(gòu)。

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這種新型墨水是由UB細(xì)胞與分子醫(yī)學(xué)學(xué)院Adam Perriman博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研制的。它的成分中除了干細(xì)胞，還有兩種聚合物 — 從海藻中提取的天然聚合物，以及醫(yī)學(xué)中常用的一種合成聚合物。前者的功能是作為干細(xì)胞生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)，后者的作用則是令墨水在溫度升到一定程度后固化。

美國(guó)科學(xué)家找到新方法可3D打印出更強(qiáng)人類組織
美國(guó)科學(xué)家找到新方法可3D打印出更強(qiáng)人類組織

當(dāng)前，生物3D打印通常都會(huì)遇到一個(gè)障礙，就是如何打印出能讓細(xì)胞存活和生長(zhǎng)的支架結(jié)構(gòu)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，通常的解決方法是先用水凝膠打印出需要的結(jié)構(gòu)，再將細(xì)胞注入。不過(guò)現(xiàn)在，美國(guó)賓州大學(xué)（PSU）的科學(xué)家們找到了一種更好的辦法，就是將細(xì)胞與藻酸鹽混合，然后直接進(jìn)行打印。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是生成的組織具有十分理想的機(jī)械特性。

這個(gè)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)帶頭人Ibrahim T. Ozbolat表示，用水凝膠的方法雖然很普遍，但仍存在明顯的問(wèn)題 — 這種由聚合物鏈和水組成的物質(zhì)會(huì)限制細(xì)胞的活動(dòng)，阻止它們像在正常組織中那樣相互交流，從而嚴(yán)重影響打印組織的機(jī)械完整性。另外，水凝膠在降解后還會(huì)產(chǎn)生對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)有害的物質(zhì)。

但使用藻酸鹽這種從海藻中提取的天然物質(zhì)就沒有這樣的問(wèn)題。據(jù)南極熊了解，這主要是因?yàn)樗�可以形成直徑�?.76-1.27）毫米的管道，而細(xì)胞（這里以軟骨細(xì)胞為例）恰好被注射進(jìn)在這種管道，然后存活至少1周時(shí)間。這期間，細(xì)胞會(huì)順利地相互結(jié)合，形成可輕松移動(dòng)的軟骨細(xì)胞串，而它可以很好地代替生物墨水作為3D打印的材料。

美國(guó)西北大學(xué)研發(fā)出高韌性3D打印陶瓷油墨，可更好促進(jìn)骨骼再生

美國(guó)西北大學(xué)研發(fā)出高韌性3D打印陶瓷油墨，可更好促進(jìn)骨骼再生

美國(guó)西北大學(xué)的材料科學(xué)家在骨骼再生領(lǐng)域取得了進(jìn)展，他們研發(fā)出一種適合3D打印的羥基磷灰石材料，該材料被加入了一定比例的乳酸-羥基乙酸，這讓3D打印的支架在無(wú)需添加生長(zhǎng)因子的情況下也具有良好的骨骼再生促進(jìn)能力，并且擁有更高的韌性。

研究團(tuán)隊(duì)表示盡管促進(jìn)再生的生物材料已得到了大量關(guān)注和發(fā)展，但目前的材料在迅速促進(jìn)骨骼再生的能力和生產(chǎn)能力方面仍有不足之處，他們的目標(biāo)是在這方面有所突破，并使材料適合3D打印，未來(lái)可以讓醫(yī)生在醫(yī)院的實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)3D打印機(jī)快速制造出所需的骨骼支架。

科學(xué)家們創(chuàng)建了一臺(tái)可以制造器官、組織和骨骼的3D打印機(jī)


2016年2月15日，美國(guó)北卡羅萊納州維克森林大學(xué)（WakeForestUniversity）再生醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家們創(chuàng)建了一臺(tái)可以制造器官、組織和骨骼的3D打印機(jī)，理論上，這些打印出來(lái)的器官、組織和骨骼能夠直接植入人體。這一成果已于當(dāng)日發(fā)表在科學(xué)雜志《NatureBiotechnology》上。

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據(jù)了解，此次研發(fā)的3D打印機(jī)使用計(jì)算機(jī)控制的噴嘴以一種非常精確的模式逐層擠出沉積材料，主要含有人體細(xì)胞的水凝膠。實(shí)際上，該3D打印機(jī)擁有多個(gè)噴嘴，一些擠出水凝膠，還有一些則擠出可生物降解材料，用來(lái)給打印出來(lái)的組織提供結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度支持。當(dāng)輔助材料溶解和組織在機(jī)器中完成孵化時(shí)，它就有可能植入人體。

目前還有待觀察維克森林大學(xué)的這款3D打印機(jī)是否能夠真的打印器官——他們將很快在實(shí)際的人類身上進(jìn)行測(cè)試。研究人員在其論文中說(shuō)，在其打印的器官可以真正在一個(gè)人身上進(jìn)行測(cè)試之前，他們的技術(shù)還需要“進(jìn)一步發(fā)展”。

Organovo推出3D打印人類腎臟
Organovo推出3D打印人類腎臟，股價(jià)大漲5%

2015年，知名生物3D打印公司Organovo推出了其首款生物3D打印產(chǎn)品 — ExVive人類肝臟�，F(xiàn)在南極熊獲悉，該公司終推出了第二款同類產(chǎn)品 — ExVive人類腎臟并宣布很快就會(huì)將其商業(yè)化。受此影響，該公司股價(jià)大漲5.33%，最終收于4.15美元。

南極熊了解，ExVive人類腎臟是一種近端小管模型，能幫助科學(xué)家更有效地研究藥物和特定治療方法對(duì)人類腎臟的影響，從而加速藥物開發(fā)進(jìn)程。所以迄今為止，它已經(jīng)接到了許多商業(yè)訂單。目前，這種人工器官已經(jīng)通過(guò)了功能性驗(yàn)證，被證明極其適合用于臨床測(cè)試，比如其近端管功能可以維持超過(guò)四個(gè)星期；其組織復(fù)雜有助于檢測(cè)損傷和恢復(fù)；其轉(zhuǎn)化功能可幫助評(píng)估腎毒性和藥物相互作用。

Organovo將開發(fā)可直接移植的3D打印人類肝組織
患者福音！Organovo將開發(fā)可直接移植的3D打印人類肝組織
里程碑！植入動(dòng)物體內(nèi)的3D打印肝組織成功產(chǎn)生了人類蛋白

作為當(dāng)前生物3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)之一，美國(guó)Organovo公司已經(jīng)推出了多款十分有價(jià)值的生物3D打印產(chǎn)品，比如ExVive系列人類肝臟和腎臟�，F(xiàn)在南極熊獲悉，該公司又將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了器官移植市場(chǎng)，即將開始研發(fā)可直接移植進(jìn)人體的3D打印肝臟組織了。

目前，這種3D打印肝組織已經(jīng)通過(guò)了一些臨床動(dòng)物測(cè)試，在可移植性、血管功能和持續(xù)性方面都展現(xiàn)出了良好的狀態(tài)，所以接下來(lái)便會(huì)進(jìn)入正式的臨床前開發(fā)階段。而根據(jù)Organovo的計(jì)劃，他們將主要針對(duì)慢加急性肝衰竭（ACLF）與小兒代謝性肝臟疾病2個(gè)方面進(jìn)行研究，因?yàn)檫@兩類疾病的患者數(shù)量龐大，潛在的市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)30億美元。

美國(guó)科學(xué)加開發(fā)降解型3D打印聚合物支架可用于食道癌治療
美國(guó)科學(xué)家正開發(fā)降解型3D打印聚合物支架可用于食道癌治療

美國(guó)佛羅里達(dá)亞特蘭大大學(xué)（FAU）的博士Yunqing Kang得到了來(lái)自美國(guó)國(guó)家癌癥協(xié)會(huì)（NCI）的14萬(wàn)美元資金支持以開發(fā)一種可生物降解的3D打印聚合物支架。這種支架能夠減少食道癌治療時(shí)的并發(fā)癥，同時(shí)成為相關(guān)藥物的遞送裝置。

據(jù)南極熊了解，這種新型的組織工程支架將以Kang博士獨(dú)特的生物3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)，使用生物降解型的彈性聚合物材料由專用的3D打印機(jī)制造。這種材料具有平衡的硬度和彈性，可以滿足支架需要擴(kuò)展并與食管接觸的要求。

相比于上面提到的金屬支架，新支架有2個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：第一、由于使用可降解型材料，它會(huì)在被植入患者體內(nèi)后逐漸溶解消失，所以就算治療完成也無(wú)需考慮取出的問(wèn)題。這不但會(huì)令整個(gè)過(guò)程變簡(jiǎn)單，而且不會(huì)再讓患者感到不舒服。第二、它能夠用來(lái)遞送抗癌藥物紫杉醇（PTX），從而幫助完成食道癌的局部治療。

CollPlant正開發(fā)用于生物打印的人體膠原蛋白基生物墨水
以色列公司正研發(fā)膠原生物3D打印墨水，已獲政府千萬(wàn)投資

以色列的再生醫(yī)療公司CollPlant就正在開發(fā)以人類膠原蛋白為基礎(chǔ)的3D打印生物墨水（可用于制造人類組織和器官）。近日，該公司宣布，他們的這個(gè)項(xiàng)目得到了以色列經(jīng)濟(jì)部首席科學(xué)家基金（CSIME）145萬(wàn)美元（約合954萬(wàn)人民幣）的支持。這對(duì)于該公司來(lái)說(shuō)無(wú)疑是重大的利好消息，因?yàn)檫@筆資金已經(jīng)接近了該項(xiàng)目總開銷（311.4萬(wàn)美元）的一半。

據(jù)南極熊了解，RHC是通過(guò)向煙草中引入5組人類基因，再經(jīng)多道工序，用煙草葉提取物加工而成的，已經(jīng)在2015年為該公司贏得了同樣由CSIME提供的122萬(wàn)美元資金支持。而以這種物質(zhì)為基礎(chǔ)的膠原3D打印墨水將會(huì)具有效促進(jìn)人類組織自然生長(zhǎng)的功效，所以可用于研發(fā)3D打印的人類組織和器官，以治療燒傷等各種損傷。

用于骨骼修復(fù)的3D打印生物陶瓷植入物將很快上市
可用于骨骼修復(fù)的高吸收型生物陶瓷3D打印植入物即將上市！

由歐洲研究項(xiàng)目RESTORATION開發(fā)出的新型吸收式生物陶瓷材料很快就要上市了。這種材料能通過(guò)3D打印技術(shù)制成個(gè)性化的關(guān)節(jié)植入物，然后通過(guò)實(shí)施微創(chuàng)手術(shù)很好地解除患者的病痛�？捎糜谌�種不同的應(yīng)用：下頜骨、脊椎和膝蓋。由于最終的檢測(cè)結(jié)果相當(dāng)出色，這些產(chǎn)品有可能會(huì)在幾年之內(nèi)出現(xiàn)在市場(chǎng)上。

據(jù)了解，這個(gè)為期4年的項(xiàng)目得到了歐盟的資金支持，主要目的是開發(fā)出一種新的陶瓷復(fù)合材料以用于整形和頜面外科的應(yīng)用。該材料可以模擬骨骼結(jié)構(gòu)，而且可以通過(guò)設(shè)計(jì)并3D打印出詳細(xì)匹配植入部位的機(jī)械要求的植入物。此外，一些陶瓷還具有生物活性，這意味著它們可以被人體充分吸收。

NanoDimension開發(fā)高精度干細(xì)胞3D生物打印機(jī)
Nano Dimension申請(qǐng)3D打印干細(xì)胞專利，欲打印人類組織器官

電子3D打印大咖Nano Dimension（ND）通過(guò)與生物技術(shù)公司Accellta結(jié)盟正式進(jìn)入生物3D打印界的消息�，F(xiàn)在，僅僅幾天后，這家以色列公司就在這方面又向前邁進(jìn)了一步 — 他們剛剛申請(qǐng)了一項(xiàng)3D打印干細(xì)胞的美國(guó)專利，旨在通過(guò)使用干細(xì)胞和生物墨水實(shí)現(xiàn)人類組織器官的3D打印。

據(jù)了解，活細(xì)胞3D打印技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)研究中起著重要作用，為了發(fā)揮這項(xiàng)技術(shù)的全部潛能，推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，NanoDimension通過(guò)把自身的高速度、高精準(zhǔn)度的噴墨功能與Accellta的干細(xì)胞懸浮技術(shù)和誘導(dǎo)分化功能結(jié)合在一起，使得3D打印具有高分辨率和高容量”。

該項(xiàng)解決方案已經(jīng)在可行性研究中被測(cè)試過(guò)，它使用了Accellta基于懸浮技術(shù)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)每批可產(chǎn)生數(shù)以億計(jì)的干細(xì)胞。有了大量的優(yōu)質(zhì)細(xì)胞，這兩家公司能打印更大、更復(fù)雜的組織和器官。

日本生物3D打印血管再生
日本研發(fā)3D打印血管與神經(jīng)技術(shù) ，生命的希望

日本多家科研機(jī)構(gòu)在研究使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)血管等復(fù)雜組織。日本佐賀大學(xué)將iPS細(xì)胞(人體誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞)培育出的細(xì)胞群打印成管狀結(jié)構(gòu)，制成血管。京都大學(xué)利用3D打印技術(shù)制成包裹著神經(jīng)的筒狀組織，并將其移植到實(shí)驗(yàn)鼠身上，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)的再生。日本政府預(yù)計(jì)到2020年前后，iPS細(xì)胞將可用于治療心臟病等疾病，正在加緊掌握與人體組織形狀相近的人造立體組織移植技術(shù)。

iPS細(xì)胞不僅被用于治療眼部的疑難病癥，未來(lái)還可能被用于治療心力衰竭和脊髓損傷。在培育用于移植治療的長(zhǎng)血管和立體內(nèi)臟時(shí)，管狀和袋狀的組織結(jié)構(gòu)常需要使用很多細(xì)胞。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，既然3D打印技術(shù)的原理是層層疊加樹脂材料打印成立體作品，如果用細(xì)胞代替樹脂，也可以打印出立體的組織。

佐賀大學(xué)教授森田茂樹的研究團(tuán)隊(duì)將人類iPS細(xì)胞培養(yǎng)出可發(fā)育成血管的細(xì)胞群，并在多排細(xì)針組成陣列的微型基座上層層串起細(xì)胞，最后打印出長(zhǎng)2厘米，直徑5毫米的管狀結(jié)構(gòu)。

將管狀結(jié)構(gòu)細(xì)胞從細(xì)針上取下，內(nèi)部使用培養(yǎng)液貫穿。數(shù)天后分化成不同種類的細(xì)胞會(huì)在內(nèi)壁形成細(xì)胞層，最終形成血管。今后將在豬身上進(jìn)行血管移植實(shí)驗(yàn)。該研究使用了發(fā)源于九州大學(xué)的新創(chuàng)企業(yè)Cyfuse與澀谷工業(yè)合作研發(fā)的“Bio3D打印機(jī)”

科學(xué)家開發(fā)出能替代軟骨的可3D打印生物玻璃
一種新型生物玻璃材料：能以墨水形式3D打印，還能自我修復(fù)
生物玻璃是一種神奇的人工材料，具有良好的韌性、生物兼容性和生物降解性，能與天然生物組織形成鍵合作用，所以能起到修復(fù)甚至替代天然組織，或促進(jìn)組織再生的作用，是迄今為止唯一既能與骨組織成鍵結(jié)合，又能與軟組織相連接的人工生物材料，在醫(yī)療方面用途極為廣泛。

據(jù)南極熊了解，這兩所高效已經(jīng)研制出了一種全新的生物玻璃材料。它不但像其它生物玻璃一樣具備與天然人類軟骨相似的屬性，而且能以墨水的形式進(jìn)行3D打印，還能夠自我修復(fù)。

這種特性對(duì)于制造人工軟骨來(lái)說(shuō)意義重大，因?yàn)檐浌沁@種結(jié)構(gòu)比較脆弱，很容易損壞卻很難修復(fù)，而且雖然目前已經(jīng)能通過(guò)生物工程人工培養(yǎng)了，但過(guò)程卻十分復(fù)雜和緩慢。不過(guò)現(xiàn)在，這些問(wèn)題已經(jīng)由這種新材料同時(shí)解決了。此外，就像前所說(shuō)，這種新材料還具有許多其它優(yōu)點(diǎn)，比如強(qiáng)韌、耐用、彈性高、回復(fù)力強(qiáng)、良好的生物兼容性和降解性。

小結(jié)
生物3D打印技術(shù)是3D打印技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)的深度結(jié)合。它不僅可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的手術(shù)，更安全有效的藥物控釋，還可以制造出用于移植或藥物實(shí)驗(yàn)的組織或器官，是再生醫(yī)學(xué)的主要分支。本文帶你縱覽生物3D打印技術(shù)的前世今生與商業(yè)應(yīng)用。3D打印技術(shù)被視為一項(xiàng)顛覆傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的革命性技術(shù)，必將對(duì)人類生活、學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

3D打印的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，并使小批量定制化產(chǎn)品的成本降低。我國(guó)醫(yī)療行業(yè)引入3D打印技術(shù)，始于上世紀(jì)80年代后期。隨著3D打印技術(shù)與醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展和深度結(jié)合，3D打印不僅可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的手術(shù)，生產(chǎn)更適合個(gè)體需求的各種醫(yī)學(xué)內(nèi)植物、助聽器、義齒、義肢，更安全有效的藥物控釋，還可以制造出用于移植或藥物實(shí)驗(yàn)的組織或器官，是再生醫(yī)學(xué)的主要分支。

回顧2016年，生物3D打印技術(shù)似乎在一步步地前進(jìn)，但是每一小步對(duì)于醫(yī)學(xué)的發(fā)展都是一大步。未來(lái)，我們期待生物3D打印技術(shù)更加成熟，以幫助更多人克服疾病困擾！

在最后南極熊送上之前盤點(diǎn)的海外9家生物3D打印公司帶你預(yù)覽技術(shù)趨勢(shì)