如何再造一颗心脏?科技时代的“造物主”——生物 3D 打印

AI+大健康新制造综合
与非网
吴子鹏
2019-08-09 · 10:30
[ 亿欧导读 ] 3D 打印技术造就万物生灵。
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【编者按】想要再造一颗心脏,可能吗?事实是,在不久的将来,生物3D打印或许能做到。

本文转自与非网(ID:ee-focus),作者吴子鹏,经亿欧编辑,仅供业内人士参考。


相信美剧迷对于 2016 年 HBO 发行的科幻类连续剧《西部世界》定然是印象深刻,里面那座以西部世界为主题的成人乐园不仅充斥着杀戮与性欲等人性的负面元素,同时更是黑科技汇集的巨作。这其中包括采用 3D 打印技术造就的万物生灵。

3D 打印即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。自 20 世纪 90 年代中期出现之后,该技术被广泛应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程、汽车和医疗等领域。其在生物医疗产业内的作用,堪称是神奇。

3D 打印成科技时代的“造物主”

近日,参考者消息网援引法国媒体的一篇报道称,美国科学家当地时间 8 月 1 日宣布,利用 3D 生物打印机,他们成功地用胶原蛋白制造出可正常工作的心脏组织。他们说,这项突破性技术有朝一日可以制造出完整的器官。

同时,法新社在报道里面还提到,美国科学家在研究论文表示,他们采用的这种方法,以迄今所能达到的最高精度,使用人体内最丰富的蛋白,复制出了复杂的人体生物支架。

而就在今年 4 月份,同样来自法新社的报道称,以色列研究人员创造了世界上第一颗具备细胞和血管的 3D 打印心脏。这颗 3D 打印的心脏是一个迷你版的,但拥有清晰的血管脉络。研究人员将从患者身上采集的脂肪组织与特制的打印材料混合到一起,成功复刻出了缩小版本的患者心脏。

心脏是人体重要的器官,而且工作方式极为复杂。相关数据显示,每年全球有将近 2000 万人死于心脏相关的疾病。因此,上述这样的心脏组织打印技术如果能够更进一步,无疑将会从死神的手里挽救更多人的生命。

除了打印心脏,也有其他的人体器官不断地被 3D 打印技术复现出来。

3D 打印领域的小型初创企业 Prellis Biologics 正在投资制造毛细血管的新技术。Prellis Biologics 联合创始人包括研究科学家梅勒妮·马修(Melanie Matheu)表示,毛细血管是只有1个细胞厚的血管,充当氧气和营养物质的运送通道,以帮助滋养体内各种器官,如果没有正常发挥作用的毛细血管结构,就不可能制造出器官。因此,毛细血管打印是打印心脏、肝脏、肾脏和肺脏的重要拼图。

当前,3D 打印在肝脏打印中的进展迅速,已经能够帮助肝脏外科医生进行外科手术。通过 3D 打印完成后的肝脏模型既能清晰可见精准的肝脏(包括精细表面、高通透性的实质),还有肿瘤和内部完整的三系 5-6 级血管网,血管末端直径达到了 CT 层分辨率极限,为参照进行的肝脏手术实现了定制化、精准化。而来自爱丁堡大学医学研究委员会(MRC)再生医学中心的科学家在 2018 年 8 月表示,结合干细胞技术与 3D 打印技术,他们成功培育出了人源 3D 肝脏组织,并且在小鼠水平显示出治疗的潜力。

除了肝病和心脏病,肾病患者也在逐年上升。公开资料数据显示,截止到 2016 年,全球肾病人数就已经达到 764 万,则仍在以高的增长率增加。而相当一部分肾病患者都需要做肾移植来挽救生命,由于肾源稀缺,3D 打印成为突破口。由于 3D 打印完整可移植肾脏还需要数年的时间,范德比尔特大学 William Fissel 教授和他的团队正在借助 3D 打印开发一种更加实际的替代解决方案 — 生物混合型可移植器官。该迷你“肾脏”其实是一个过滤器,能够和活体肾脏组织配合完成透析,进而模拟肾脏功能。

通过查看相关的报道,我们得知目前 3D 打印在心脏、肝脏、肾脏、甲状腺、眼球、骨骼等生物组织打印上都有明显的进步,相信不远的将来人造器官,甚至是人造生物都会实现。

生物 3D 打印的现状和发展趋势

除了制造各种生物器官以外。目前,生物 3D 打印技术已经被应用于术前规划、体外医疗器械、齿科、金属植入物等领域,未来将向可降解体内植入物和 3D 打印生物组织/器官等方向发展

正如我们在叙述 3D 打印肝脏时提到的,3D 打印目前在生物医疗上面主要还是用于定制化的辅助治疗以及体外治疗器械的制造。该项技术最开始被世人所关注是在 2003 年,美国 Clemson 大学研究者首次发文报道了活细胞的打印,研究者通过改装一台惠普喷墨打印机,装载含细胞的墨水材料,打印出了简单的含细胞二维图案。

此后的一段时间,开始出现细胞 3D 打印,部分生物组织和部分器官打印。到今天,技术已经能够帮助实现完整器官的打印。问题在于打印出来的器官如何具有生命活力,并能够和患者本体契合。

在制药方面,3D 打印技术同样有重要应用。2015 年,美国制药公司 Aprecia 采用独特的层压技术 ZipDose 开发出了全球首款 3D 打印药物,用来治疗癫痫的药片 Spritam。3D 打印技术能够制造任意形状的药物外壳,因此可以因人而异来决定药物释放速度。

目前各国在生物 3D 打印方面都高度关注,美国在这方面筹备最早。早在 2011 年,美国国防先进研究项目局(DARPA)就立项支持工程制造三维人体组织结构的体外平台,包括循环、内分泌、胃肠道、免疫、外皮、肌肉骨骼、神经、生殖、呼吸、泌尿系统 10 大生理系统,并计划应用于人体内。

我国同样重视生物 3D 打印技术的发展。在《国家增材制造产业发展推动计划(2015-2016 年)》和“十三五”国家重大科技专项中,对生物 3D 打印的未来发展都有重要指示。

总体而言,目前生物 3D 打印技术在很多国家医疗健康领域的发展过程中都占有重要的地位。从应用角度来看,生物 3D 打印技术在医药方面的技术已经较为成熟,借助已有的药物材料,能够起到促进和定制化的作用。在体外医疗器械领域,3D 打印个性化手术导板的应用提高了治疗成功率和手术精度,降低了手术中的意外风险。在齿科、骨科方面,目前技术也已经较为成熟,能够做到植入人体。目前进展较为缓慢的是器官领域,由于生命运动的复杂性,需要特殊的材料来帮助打造具有生命力的生物器官,目前仍处于研发阶段。

准确地说,生物 3D 打印是一种基于增材制造思想,以活细胞、细胞外基质、生物因子和生物材料为原料,制造有生命或无生命的生物学产品的技术。与金属、陶瓷、塑料等材料的 3D 打印之间最大的差别就是材料的不同

当前,不管是发展更快的微挤出式技术,还是喷墨式、磁力式和激光式技术,在生物 3D 打印方面都受限于材料的进步,因此加大材料研发力度将是未来一段时间的重点所在。从技术角度而言,微挤出式技术更适合生物 3D 打印,不管是墨水材料种类、生物相容性,还是三维成型能力等方面具有综合优势。因此,在生物 3D 打印领域,微挤出式技术在未来几年将引领潮流。

3D 打印主要参与者一览

根据知名市场研究机构 MarketsandMarkets 此前发布的数据显示,全球工业 3D 打印市场将从 2018 年的 17.3 亿美元增长到 2023 年的 56.6 亿美元,年复合增长率达到 27.21%。同时,MarketsandMarkets 还指出,在预测期内,3D 打印材料市场预计将以最高的年复合增长率增长

高速增长的市场让 3D 打印吸引了众多参与者,从设备、材料到服务各个环节都有很多厂商。区别于大多数高科技产业,3D 打印领域,美国并不是 3D 打印行业的技术引领者,由于太空空间对 3D 打印的重要性,俄罗斯在这方面具有领先地位。2019 年 7 月,俄罗斯宇航员 Oleg Kononenko 代表他的国家成为第一个在太空进行生物打印的人。

在企业层面,全球估值最高的纯 3D 打印企业是金属 3D 打印龙头厂商德国 EOS。目前,EOS 的估值已经达到 26 亿美元,营收也已经超过 4 亿美元。EOS 的核心产品是 SLS 激光烧结高分子 3D 打印、SLM 金属 3D 打印两大类型的工业级 3D 打印机。企业估值排在 EOS 后面的是美国 Carbon3d,估值达到了 22 亿美元,Carbon3d 推出了一种全新的“连续液体界面制造”工艺,极大地提升了 3D 打印的速度。

此外,发明了低成本桌面级金属 3D 打印的美国 Desktop Metal 估值 15 亿美元。传统美国 3D 打印巨头美国 Stratasys 现在市值 12.3 亿美元。把碳纤维/金属等材料实现桌面低成本 3D 打印的美国 Markforged 估值超 10 亿美元。这些公司都是 3D 打印技术商业化发展较快的企业。

从企业估值角度来看,杭州先临三维作为一家综合型的 3D 打印服务公司,目前企业估值已经超过 32 亿元人民币。排在先临三维后面的是西安铂力特,目前估值为 28 亿元人民币。这两家国内企业均是主要从事 3D 打印机销售和服务。

当前,国内的 3D 打印产业较为完备从事 3D 打印机销售的公司除了上面两家还包括:中科煜宸、永年激光、上海联泰、华曙高科、鑫精合、汉邦科技、盈普、武汉华科三维、珠海西通、武汉滨湖、武汉易制、天昱智造、南京英尼格玛、重庆塞领、远铸智能、广州瑞通、广州雷佳、北京煜鼎增材、北京易加三维、大连三维增减材一体、东莞亚美增减材一体、天津智束三维、哈尔滨福沃德、上海探真、广东信达雅、北方恒利、材料上海康速、青岛尤尼、佛山奥基德信、光固化上海普利生、光固化中山东方博达、安徽西锐、光固化苏州中瑞、陕西恒通。

国内从事 3D 打印服务的企业主要有金属上海悦瑞、中峪三维、远铸智能、哈尔滨恒普激光、江苏亚太霍夫曼、广东信达雅、金属打印 大业、金属北京航星利华、深圳苏州北京大业、潍坊赛迪、金属北京易加、广州随尔激光、金属上海彩石激光、光固化北京意诺佳、金属中航天地、京东 3D 打印机、金属北航王华明、北京隆源、康硕、金属西安铂力特、模铸佛山峰华卓立。

国内从事 3D 打印材料的企业主要有中航迈特粉冶、苏州英纳特纳米科技、上海材料研究所(SRIM)、广州纳联材料科技、陕西融天航空器材、西安赛隆金属材料、成都优材科技、湖南宁乡吉唯信金属粉体、陕西宇光飞利金属材料、浙江亚通焊材、飞而康快速制造科技。

总结

不管是西方神话里面的上帝造万物,还是东方神话里面的女蜗造万物,我们都不能有幸得见。但是,在未来的十几、二十年的时间内,我们很可能将见证人造器官在人体内运转,肢体残疾将成为过去式。而在遥远的未来,除了玄而又玄的生物大脑难以复刻,生物 3D 打印技术或许将成为科技时代新的“造物主”。


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