徐弢:生物3D打印为生命赋予更多可能

文:王晓刚 / 来源:新闻中心 / 2020-06-29 / 点击量:423

  “人体器官可以打印吗?”这是清华大学清华大学机械工程系教授、博士生导师徐弢留给成电学子的一个引人遐思的开放性问题。6月23日,徐弢教授受我校医学院的邀请,作了题为《生物3D打印在生物医学工程领域中的创新应用》的在线讲座,让成电的研究生学子大开眼界。这是第五届“研究生人文教育与学术交流月”的高水平学术讲座之一。

  起源于20世纪80年代的3D打印,近年来发展迅猛,被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”。而生物3D打印是其中的一个分支,目前正在国内外掀起新一轮研究热潮。讲座中,徐弢系统回顾了生物3D打印发展的四个层次以及最新研究进展,并鼓励成电学子一起探索未知的奥秘。

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历史进路:生物3D打印发展经历四个层次

  生物3D打印是基于“增材制造”的原理,以特制生物“打印机”为手段,以加工活性材料包括细胞、生长因子、生物材料等为主要内容,以重建人体组织和器官为目标的跨学科跨领域的新型再生医学工程技术。它代表了目前3D打印技术的最高水平之一。徐弢教授指出,从1995年生物3D打印技术出现以来,它的发展经历了四个层次:

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  1995年至2000年是其第一个层次,主要打印个性化医疗模型及假肢制造(I或II类器械)。在这个层次,由于它打印出的产品不进入人体,不用担心人体的免疫系统对产品的“激烈抵抗”,因此对使用的材料没有生物相容性的要求。

  2001年至2005年是其第二个层次,使用的材料具有良好的生物相容性但是不能被降解,产品植入人体后成为永久性植入物,如不降解的假肢、假耳移植物等。2014年北医三院通过3D技术打印出的椎体移植物即属此类。

  2003年至2009年是其第三个层次,使用的材料具有良好的生物相容性,而且能被降解。产品植入人体后,可以与人体组织发生相互关系,促进组织的再生。清华大学团队采用低温沉积成形技术,制造出具有分级孔隙结构的骨支架,最多可以做到4级孔隙,有利于各种细胞的生长进入,处于世界领先水平。

  2007年至今,是其第四个层次,也被称为“细胞打印”或“器官打印”,是现代意义的生物 3D 打印。它使用活细胞、蛋白及其他细胞外基质作为材料,打印出具有生物活性的产品,最终目标是制造出组织、器官。这是生物3D打印的最高层次。

  徐弢教授指出,在现阶段,第一到第三层次的技术发展比较成熟,已经进入到实际应用层面。比如,在第一层次,已经可以打印结构比较复杂的颅内肿瘤、动脉瘤、神经纤维束、脑室等医疗模型,并能在心脏外科等领域进行实际应用。

  2015年9月,国家药品监督管理局批准首个标准国内3D打印髋臼杯。2019年,国家药监局、国家卫生健康委发布定制式医疗器械监督管理规定(试行),这是我国首个针对个性化医疗器械产品的法规,医院可以直接参与个性化产品的设计与制造。

关键突破:细胞3D打印攻克瓶颈难题

  “细胞打印”的概念在2000年由美国克莱姆森大学(Clemson University)的Thomas Boland教授首先提出,并于2003年首次成功实现。2004年,该团队获得一项细胞打印的专利,并授权给在纳斯达克上市的Organovo公司,该公司是目前国际上生物3D打印领域的领头羊。

  为什么要进行“细胞打印”呢?徐弢教授指出,全球每年有大量的病人因为等不到合适的器官移植而死亡。生物3D打印技术的目标就是解决组织、器官短缺的问题。1994年,科学家认为组织工程技术可以解决器官再造的技术,当时首选的目标就是制造皮肤或软骨组织。而生物3D打印技术可能是解决方法之一。

  最早我们使用的是喷墨打印技术。喷墨打印机能够快速地把细小的墨滴精确地打印到相应的位置。喷墨打印机的工作原理是:喷头里有加热元件,将墨滴里面的水快速加热到200℃,使水产生气化,将前面的墨滴喷出去。我们将细胞混悬液灌入墨盒,成功地实现了细胞打印。

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  为什么200℃的高温没有杀死细胞?研究发现,喷墨的过程非常迅速,只需要20微秒,热量还来不及传递到墨滴,墨滴就已经被喷出去了。通过反复实验,打印出的细胞可以达到90%以上存活率。

  “细胞和基质材料逐层打印,就可以达到3D打印的目的。喷墨打印机可以打出不同的颜色,因此我们也可以打出不同的细胞。”徐弢教授指出,“打印一个类似血管的结构,可以把内皮细胞打印到管壁内层,平滑肌细胞打印到管壁外层,这样逐层打印,可以得到一个和正常结构类似的产品。”

  但是,“细胞打印”还面临着很多技术挑战,第一是由于操作对象是活细胞,非常脆弱,这就产生了打印后细胞能不能存活、会不会发育、会不会产生变异甚至肿瘤化的问题。第二是生物仿生对制造精度及准确性要求极高,打印机能不能达到精度要求。第三是组织及器官是由多材料及多细胞组成的非均质体系,这对制造学来说也是一个很大的挑战。

大有作为:“细胞打印”的创新应用迎来机遇

  技术挑战无法阻挡科技进步的步伐。徐弢教授指出,生物3D打印产品的发展路线是从纳米、微米、厘米到分米级别发展的。纳米级别即生物分子的打印包括蛋白、DNA等的打印都已经实现了。微米级别指细胞的打印,也已经实现了。厘米级别指神经、血管、组织等,尚未实现,还处于研发阶段。分米级别指心、肝、肾等器官,将是我们最终的目标。

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  在介绍了皮肤打印、心肌打印、羊水干细胞打印分化成骨组织等创新应用的成功案例之后,徐弢教授指出,生物3D打印在癌症治疗即“个性化肿瘤模型(打印“非正常”组织) 和再生修复即“个性化组织修复(打印“正常”组织)方面具有十分重要的应用价值。

  例如,在个性化肿瘤模型打印方面,它可以极大地促进“个性化肿瘤药物”的筛选。如果说第一代个性化肿瘤药物筛选技术靠的是经验总结,那么第二代技术则主要是依靠基因检测。但基因属于较基础信息,目前手段不能检测到所有耐药性及药物反应基因信息,因此,就需要下一代的“多组学模式”,而肿瘤细胞学及组织学是其重点。

  个性化肿瘤模型打印将为肿瘤细胞学及组织学的研究提供更多的便利。2019年3D打印体外胶质瘤芯片的最新研究结果,即是成功例证。它可以从高抗药性、低存活率患者分离出的胶质母细胞瘤细胞在肿瘤芯片中展现出了类似的放化疗抗性和高的细胞存活率,从而可以再现临床观察到的患者对放疗和替莫罗米治疗的抗性。

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  在个性化组织修复及再生方面,3D打印还可以“制造”出皮肤、骨组织、神经、血管等生命组织,这些技术可以用于战伤创面修复等方面,产生良好的社会效益和经济效益。徐弢教授还介绍了肱骨组织等硬组织修复、羊水干细胞研究、第三代颌面修复技术、同轴打印+纳米膜制造神经纤维束以及人工血管新思路(细胞能量增强策略)、新冠肺炎干细胞治疗等前沿研究成果。

  徐弢教授指出,“生物3D打印”从其诞生起就是“医工结合的典范”。目前,世界各国正大力发展生物3D打印技术,抢占这轮新技术浪潮制高点,借助国家和金融资本对生物3D打印产业进行重点扶持。近年来,我国在技术基础和人才储备上大大缩短了与发达国家的差距,我国面临大力发展生物3D技术及产业的难得历史机遇。希望通过整个行业的努力,以及通过跨界融合和创新,为中国的生物3D打印事业创造更多的精彩!



编辑:王晓刚  / 审核:王晓刚  / 发布者:陈伟