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未来3D打印技术在生物工程领域的五大应用

文章来源:网络人气:48发表时间:2017-09-08 11:02:29

  医疗行业应用3D打印技术的历史始于上世纪80年代的医疗模型制造,随着3D打印技术和医用3D打印材料技术的发展,现阶段3D打印技术已被应用义齿加工和骨科植入物的直接制造领域。在未来,3D打印技术的应用是与生命科学、生物工程技术相结合,制造具有生物活性的组织和器官。我们整理出3D打印技术在生物工程领域的五种应用前景,与读者分享。

  五种应用前景

  1.器官生物芯片定制

  器官生物芯片是指在微流控生物芯片上制造出微观的人体组织,它们的作用是模仿人体组织的功能。比如肠道芯片,是模拟人的肠道的成长环境,肠道器官结构,研究药物、食物在肠道的吸收状况和吸收效率等问题。器官生物芯片在进行生物学研究和药物筛选实验时往往比二维的细胞培养方式更加有效。传统的微流控芯片制造技术是劳动密集型的产业,不利于实验室进行芯片设计的快速迭代和快速制造。将3D打印技术用于制造微流控生物芯片则可以在几个小时内实现微型流体通道的快速制造,有利于设计的快速迭代,提高基于微流控研究的跨学科性。

  或许在未来,先进的生物3D打印机不仅可以打印微流控平台,还可以同时在微流控平台中直接打印出定制化的微观人体组织。

  2.皮肤制造

  生物3D打印的皮肤有望用于治疗烧伤或者是有慢性创口的患者。目前生物3D打印技术已可以制造出具有完整功能的人造皮肤,该技术在一些关键的皮肤组织工程学方面的潜力已体现出来,包括构建色素和皮肤老化模型、制造血管网络和毛囊。尽管生物打印皮肤技术的临床应用仍处在非常早期的阶段,但一些有价值的临床前动物实验已经正在进行。例如,维克森林大学通过喷墨生物3D打印技术制造皮肤,在使用该皮肤对小鼠缺损的皮肤进行原位修复时取得了良好的细胞存活和皮肤修复结果。

  3.面部重建

  人体的颅面部区域由几种复杂的组织构成,包括:骨、软骨、肌肉、韧带和皮肤,以及血管和神经等。如果组织出现创伤或者具有先天性缺陷则会影响到人的容貌。在过去的几十年中,这种颅面部缺损的重建技术一直在发展,例如,从截取人体其他部位的骨骼进行下颌骨修复,发展到使用3D打印的钛合金定制化植入物进行下颌骨重建。尽管使用现有的技术已实现了面部重建的治疗目的,但由于植入物的使用寿命以及可能发生的感染等因素,颅面部修复技术并没有停止发展的脚步,而生物3D打印技术和组织工程学正是发展方向之一。

  4.插入式血管

  在人造组织内生成血管对于移植后确保组织存活及维持器官功能是必要的。然而,制造带血管网络的组织和器官,并在植入后可直接与人体动脉或静脉相连接是医学领域的一大挑战。2016年,哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)就与该校Wyss生物工程研究所联手在这方面取得了新的突破:他们发明了一种新的方法,能够3D打印出厚度足够的血管化网络组织结构,而这种结构能让液体、营养物质和细胞生长因子顺利进入,保证植入其中的细胞存活并促进它们生长,最终形成完成的功能性组织。

  5.药物筛选

  我们在前面提到了生物3D打印技术将可以用于器官生物芯片的定制化制造。定制化器官芯片的其中一个重要作用就是用于药物筛选。药物筛选指的是采用适当的方法,对可能作为药物使用的物质(采样)进行生物活性、药理作用及药用价值的评估过程。传统的药物筛选方法有高通量筛选、动物筛选模型、高内涵筛选、虚拟药物筛选等,其中高通量筛选是目前药物筛选的主流方法。

  现有的药物筛选技术都属于体外药物筛选,大多是在培养皿中平面培养细胞进行筛选试验,由于在体外比较难以模拟活性细胞在体内的生长环境,就容易导致药效准确度不高的后果出现。现有的体内筛选技术是在动物身上,由于动物与人体内的环境存在种属差别,并且试验成本高,因此实验效果同样并不理想。

  3D打印药物筛选主要是基于细胞3D打印技术,将细胞按照三维建模的模型打印出来,而这种三维结构是按照人体结构构建出的适合细胞黏附、生长、迁移的结构,相比其他筛选方法,此种细胞结构更相似人体中的生长环境,因此能够得到更准确的筛选结果。

  小结生物3D打印发展过程中所存在的问题

  1.研究进程缓慢,尚处于研究初期

  从行业层面来看,生物3D打印不仅仅是一个医学领域的问题,而是集生命科学、材料学、信息技术、组织工程、制造学、临床试验等交叉的一门大学科。能够打印出活体器官等复杂生命体从来都不是仅靠生物医学领域的发展就能够实现的,距离真正意义上的生物3D打印究竟还有多远,可能并不是我们想象的那样容易实现。

  目前来看,生物3D打印仍处于研究初期,目前对于材料、打印方法、组织结构、基因科学等的研究还远远不能支撑活体生物器官的打印,上述各技术组成部分基本都处于独立研究阶段,尚未呈现一个产业链条的研究机制。

  2.医疗器械的审批过程缓慢

  医疗领域的可植入人体的植入物能否成为合法合规的产品,取决于能否获得国家的审批,在美国需获得FDA的审批,在欧洲须获得CE认证,在中国需获得CFDA(国家食品药品监督管理局)的注册审批。

  我国将医疗器械分为三类,第一类医疗器械是指通过常规管理足以保证其安全性、有效性的医疗器械;第二类医疗器械是指对其安全性、有效性应当加以控制的医疗器械;第三类医疗器械是指植入人体,用于支持、维持生命,对人体具有潜在危险,对其安全性、有效性必须严格控制的医疗器械。

  大多生物3D打印植入物属于三类医疗器械,其安全性和有效性需进行十分严格的检验,注册审批的流程一般为:研发设计阶段(至少1-2年)——理化生物学评测阶段(至少1年)——临床试验阶段(至少2-3年)——注册报批阶段(1年)——上市。假设从研发到试验均一切顺利,产品面市的整个流程也至少需要6-7年的时间,而目前针对含细胞的生物打印制品,各国都还未出台相应的注册法规,监管也是相当的严格,因此生物3D打印的产业化之路将更加漫长。

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