英國Nexus項目：3D打印技術(shù)讓一次性生物反應(yīng)器更環(huán)保

導(dǎo)語：近年來，生物制藥行業(yè)對一次性生物反應(yīng)器（SUT）的需求不斷增長。這些設(shè)備因其安裝便捷、靈活性高以及避免交叉污染的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于藥物研發(fā)和生產(chǎn)中。但是，SUT的大量使用也引發(fā)了對環(huán)境可持續(xù)性的擔(dān)憂。



2025年4月，南極熊獲悉，為了解決這一問題，英國啟動了一項名為“Nexus”的創(chuàng)新項目，通過結(jié)合3D打印技術(shù)和新型生物基材料，重新設(shè)計生物反應(yīng)器的制造和使用方式，以減少浪費(fèi)并推動綠色轉(zhuǎn)型。

傳統(tǒng)生物反應(yīng)器的挑戰(zhàn)：便利性與可持續(xù)性的矛盾
傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器主要分為兩類：大型永久性不銹鋼系統(tǒng)和小型一次性塑料裝置。前者用于大規(guī)模藥物生產(chǎn)，后者則在研究實(shí)驗室和早期生產(chǎn)中使用。SUT容量從幾升到幾百升不等，具有安裝快、無需復(fù)雜滅菌程序的特點(diǎn)，能夠有效測試不同的藥物配方且不會造成交叉污染。但是，這些設(shè)備通常在使用后被直接丟棄，增加了塑料垃圾的產(chǎn)生量。


△左圖：大型生物反應(yīng)器。右圖：一次性生物反應(yīng)器

雖然SUT僅占全球塑料垃圾的一小部分（約0.002%），但其快速增長的趨勢令人擔(dān)憂。特別是在新冠疫情期間，這類設(shè)備在疫苗生產(chǎn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。例如，輝瑞-BioNTech和Moderna利用SUT制造攜帶mRNA的脂質(zhì)納米顆粒，強(qiáng)生公司用SUT培養(yǎng)生產(chǎn)疫苗所需的細(xì)胞。盡管這些技術(shù)幫助企業(yè)快速擴(kuò)大了生產(chǎn)規(guī)模，但隨之而來的廢棄物問題也愈發(fā)凸顯。

Nexus 項目：3D 打印與可持續(xù)材料的結(jié)合
Nexus 項目由英國政府支持的技術(shù)機(jī)構(gòu) Innovate UK 提供 190 萬英鎊（約合 250 萬美元）的資金，匯集了研究人員和多家企業(yè)，旨在打造更環(huán)保、可重復(fù)使用的一次性生物處理設(shè)備。項目的核心目標(biāo)是通過引入 3D 打印技術(shù)和新型生物基材料，解決一次性生物反應(yīng)器帶來的環(huán)境問題。


△3D打印介質(zhì)接觸裝置的CAD渲染圖，用于通過光譜法持續(xù)監(jiān)測生物反應(yīng)器內(nèi)的介質(zhì)。

為何選擇 3D 打��？
3D 打印技術(shù)為生物反應(yīng)器的制造帶來了顯著優(yōu)勢：

●無需傳統(tǒng)模具或工具即可定制高度復(fù)雜的部件，例如用于監(jiān)測細(xì)胞培養(yǎng)的介質(zhì)接觸裝置。這些部件必須具備化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性能以及與活細(xì)胞的兼容性。

●通過 3D 打印，設(shè)計師可以靈活調(diào)整形狀，同時減少對大型生產(chǎn)線的需求，從而降低浪費(fèi)。

●3D 打印還支持“按需生產(chǎn)”，即只制造所需的部件數(shù)量，避免過度生產(chǎn)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。

Nexus 項目計劃將3D打印與新型生物基熱固性樹脂結(jié)合，使部分部件可以通過高溫滅菌清潔后重復(fù)使用。這種設(shè)計既保留了一次性系統(tǒng)的便利性，又大幅減少了廢棄物的產(chǎn)生。

新樹脂，新可能性
Photocentric 是一家知名的樹脂基 3D 打印機(jī)制造商，其最新工業(yè)級打印機(jī) JENI 將在 Nexus 項目中發(fā)揮重要作用。JENI 具備高速、大批量生產(chǎn)的特性，非常適合制造下一代生物反應(yīng)器部件。

同時研究人員正在開發(fā)一種新型可持續(xù)的生物基熱固性樹脂。這種樹脂不僅能夠打印成型并硬化，還具有堅固、穩(wěn)定和可重復(fù)使用的特性。盡管熱固性樹脂通常難以回收，但團(tuán)隊希望通過優(yōu)化配方，使其足夠耐用以承受高壓滅菌器的高溫消毒過程。

CPI 配方總監(jiān) Tony Jackson 表示：“我們專注于循環(huán)利用和報廢解決方案，確保該項目不僅能提升技術(shù)能力，還能推動實(shí)現(xiàn)凈零目標(biāo)的重大進(jìn)展。”


△Photocentric 的 JENI打印機(jī)

系統(tǒng)化方法：從材料到再利用的全鏈條創(chuàng)新
Nexus 項目采用全系統(tǒng)方法，與許多僅關(guān)注單一組件的研究不同，Nexus全面考慮了從材料選擇、制造工藝到再利用和報廢處理的所有環(huán)節(jié)：
●Sartorius公司為項目提供了生物制藥設(shè)備制造的專業(yè)知識；
●CPI 和倫敦帝國理工學(xué)院負(fù)責(zé)材料與工藝創(chuàng)新；
●謝菲爾德大學(xué)先進(jìn)制造研究中心（AMRC）則貢獻(xiàn)了可持續(xù)性設(shè)計方面的專長；
●Photocentric 則專注于 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用。

Sartorius公司的Jeremy Pullin表示：“Nexus 項目的核心目標(biāo)解鎖了當(dāng)前應(yīng)用的可能性，同時通過開發(fā)可持續(xù)的材料配方履行環(huán)保義務(wù)。”

實(shí)際測試與未來展望
Nexus 項目開發(fā)的組件將在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中接受測試。初步階段將在藥物研究實(shí)驗室和小規(guī)模生產(chǎn)設(shè)施（如即時醫(yī)療機(jī)構(gòu)）中進(jìn)行評估。然后，團(tuán)隊希望將這些技術(shù)推廣到工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域，包括綠色化學(xué)品的生產(chǎn)。項目預(yù)計在未來兩年內(nèi)取得重要進(jìn)展。研究人員將評估 3D 打印部件的實(shí)際性能，包括消毒和重復(fù)使用頻率、經(jīng)濟(jì)成本以及環(huán)境效益。最終目標(biāo)是確保新工具在理論上更加環(huán)保的同時，在實(shí)際應(yīng)用中是實(shí)現(xiàn)真正的可持續(xù)。

南極熊點(diǎn)評
Nexus 項目展示了 3D 打印和可持續(xù)材料在生物制藥領(lǐng)域的巨大潛力。通過重新設(shè)計一次性生物反應(yīng)器，該項目不僅有助于減少塑料垃圾，還為行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了新思路。隨著技術(shù)的成熟和推廣，Nexus 或?qū)⒊蔀樯�物制藥行業(yè)邁向可持續(xù)發(fā)展的重要里程碑。