生物醫療3D列印技術的幾大要素和發展方向是什麼？
OFweek醫療網訊 諾普聯合創始人楊熙博士為我們分享「3D生物列印-再生醫學皇冠上的明珠」，其中重點介紹了3D生物列印技術的幾大要素以及今後的發展方向和趨勢。
分享環節
3D生物列印是一個非常交叉和融合的學科，它集合了機械、材料、細胞等多種相關領域的技術 ，是一種利用3D增材製造原理，利用生物材料、生長因子、細胞等活性材料，以重建人體組織和器官為目標的跨學科、跨領域的新型再生醫學工程技術。
組織醫學和再生醫學的發展歷史
80年代組織工程的興起以及幹細胞引入的再生醫學技術，讓人們看到了解決器官缺損的希望。
20世紀以後，越來越多的科學家加入到推進再生醫學技術發展的行列中。到2010年，整個再生醫療產業逐步重構，迎來良性的發展。截至2014年，全球約有700多家組織工程和再生醫學相關的企業，上市的有數百種醫學產品，主要應用於皮膚、骨、心臟以及心血管疾病等領域，被認為是非常有希望的一個行業。
傳統組織工程與3D生物列印
傳統組織工程
傳統組織工程的方法主要有兩種：
使用生物相容性材料或者動物源性的材料。由於材料在功能以及製造方法上的局限性，修復和替代的效果往往存在缺陷，例如用脫細胞方法將牛的跟腱構建成含有膠原的人工皮膚，由於是異體組織且並不含有修復和替代的活性物質，使得功效上有很大缺陷；
將細胞種植在預先成型的支架上。由於植入細胞技術的解析度和支架材料內部結構的限制，不能精確控制形成仿生組織的細胞的位置和分布情況，在穩定性和尺寸上存在限制，嚴重阻礙了組織工程的產業化發展。
3D生物列印
由於3D生物列印能精確控制材料、細胞的位置與分布，能夠個性化構建組織工程產品，同時具有最大仿生性和最小排異性等特點，解決了限制大規模生產的問題，在穩定性、速度和成本上都優於傳統組織工程方法，因此在臨床上有更廣泛的應用前景。
3D列印在醫療上的發展和應用大概分為四個層次：
沒有生物相容性的材料，用於如醫療模型和體外醫療器械等；
有生物相容性要求，要進入人體，但是不能降解，如陶瓷等，屬於永久植入的概念；
材料可降解，也可刺激人體自身修復，但不能夠突破自身修復的限制；
以活性細胞和細胞外基質等為材料，以細胞為介入單元，是真正現代意義上的3D生物列印。
本文主要涉及的是第四層次，即構建新型的組織器官移植物，最終實現組織器官的移植。
3D生物列印技術三要素
3D生物列印的典型步驟是首先利用醫學影像（CT或MR）進行數據導入，然後利用計算機的各種演算法輔助解析病人數據，輸出各種列印所需的各項數據並呈遞給印表機，利用細胞、天然材料等完成列印，整個過程還包括列印之後的成熟過程。
3D生物列印的技術要素為材料、列印系統（軟體）以及成熟體系。
3D生物印表機：
3D生物印表機有兩種設計理念：原位印表機，即直接在人體使用部位列印的技術，如用於皮膚燒傷治療的皮膚原位印表機；另一種是非原位印表機，用於製造設備裝置。根據3D列印模式（噴頭），可以將印表機分成三類：
Inkjet bioprinter：利用熱噴墨或者壓電式脈衝產生壓力，成本較低，解析度較好；
Micoextrusion bioprinter：形式多樣，可以利用氣動、活塞或者螺桿擠壓的連續擠出方式來實現列印，兼容材料多、解析度範圍較廣、對細胞的活性損傷較少，對細胞的兼容較廣，應用相對廣泛，解析度相對其他兩種模式較低；
Laser-assisted bioprinter：通過激光輔助使得聚焦在吸收機片上的激光將列印材料推到集熱器上實現列印，分辨力較高，成本高。
列印材料的要求：
可列印性、穩定性、交聯方便，體積變化小，容易運輸、裝配、操作，以及良好的生物相容性和細胞相容性，不能對人體產生系統性傷害。目前，經批准臨床上可使用的材料主要是天然聚合物（用於形成細胞水凝膠），除此之外還有一些合成多聚物、高分子可降解材料等。
細胞材料的要求：
細胞容易得到並且能夠大量擴增；
沒有或者很低的免疫原性；
較高的純度或者單一的分化方向。
生物反應器：
生物反應器對於臨床的可用性發展非常重要。列印出的前體物質需要在生物反應器中經過成熟、增殖和培養過程。生物反應器不同於細胞培養，當列印物的體積較大時，其存在的缺氧問題需要解決，如發明能夠釋放氧氣的納米材料；對於特定組織，細胞需要的一些特定刺激才能成熟，如周期性拉伸能促進心肌細胞的成熟，這也是生物反應器需要解決的問題。
3D生物列印植入物發展方向趨勢
據統計分析，在應用領域中組織工程領域發表文章最多，從研究領域的列印方式來說，微擠出、微流控、激光輔助等技術也非常熱門；從專利申請方面來看，3D列印技術在醫療領域的應用突飛猛進，許多國際大公司都有相當多的專利，產業布局主要集中於細胞水凝膠、列印構建方法、機械設備以及生物反應器等相關領域。
3D生物列印技術的發展技術方向
3D生物列印技術的發展趨勢，主要在以下幾個方面：
生物列印技術上，材料對細胞的友好性、可相容性，材料交聯方法的集成，與軟體的結合以及在尺寸和應用方面都需要突破；
三要素方面，生物材料以及細胞的選擇的優化；
血管化對於複雜器官的列印必不可少，但目前生物列印還集中在簡單組織的研究上。
3D生物列印三部曲
目前，科學家已經成功列印出血管、心臟瓣膜、肌肉、神經以及皮膚等器官和組織。
3D生物列印產業發展的思考
要有全球視野，無論是對於產業鏈還是技術的分散度，3D生物列印行業具有廣泛的全球性；
無論是市場需求還是產品研發，都要不斷貼近臨床需求，從臨床需求出發，更早介入到產品的研發以及商業模式的打磨；
3D生物列印技術不僅是一門技術，更是一種交叉科學和平台性技術，它的發展需要有很好的包容性，利用各種資源來實現在平台上更好的融合。
全球知名公司
3D生物列印領域中較早起步的商業化公司是Organovo ，該公司專註於開發商業化生物印表機以及列印生物類器官。Organovo與許多大公司合作，列印的類器官可用於藥物毒性評估和藥效篩選，這一創造極大地解決了在藥物開發中無法模擬體內情況的困境。另外還有很多公司，如CollPlant、CYFUSI等等，都有自己所涉及的領域。中國也有很多技術前沿公司，例如諾普、藍光英諾、芥諾飛以及邁普再生等，希望大家都能一起來推動這個領域向前發展。
提問環節
離體細胞生存時間是多少？怎樣把控？
楊博士：離體細胞生存時間會根據供給環境的變化而改變。控制主要通過生物反應器以及運輸裝置的技術提升來實現。
3D生物列印是否存在倫理上的問題？當前的政策上有什麼支撐的引導？
楊博士：3D列印技術通過採用影像的技術分析數據可以進行個性化、定製化生產。鼻、耳等軟骨領域未來很有可能有更大的突破。與傳統組織工程上的政策支撐相似，今年FDA有3D列印醫療設備草案的發布，我國也會有相應的政策出台。
貴公司的平台為臨床提供的成熟服務有哪些？
楊博士：諾普正在建立整套具有國際領先水平的3D生物列印系統平台，該平台可為十多個臨床相關科室提供3D生物列印服務，共同開展臨床研究。同時諾普啟動突破性的3D列印人工皮膚等組織工程器械產品的開發和商業化。
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