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生物3D打印几大最新亮点

近年来,生物3D打印技术已成为市场上的一大热门话题。从3D打印假肢到3D打印器官,大众对生物3D打印寄予无限厚望。近期,据市场研究机构Gartner最新3D行业技术成熟度报告称,3D打印技术近年来发展迅速,特别是在医疗领域实现了该技术最重要的一些应用。生物打印,作为3D打印当前最为前沿的领域,在不断的开拓创新之后,已经站在了3D打印产业的最高峰。

  亮点一:生物材料获得重大突破

  器官打印的里程碑 全力改造未来科技

  近日,康奈尔大学的研究人员开发出了一种轻量级的柔性材料,并准备将其用于创建一个人工心脏。这种新材料被称为"柔性泡沫,可以用于假肢、人工器官、软机器人等装置。"

  研究人员可以将一开始是液体状态的聚合物泡沫倒入模具中形成柔软而坚实的对象。用这种方法制作人造器官的优点是,他们是只用一种材料制成的,减少了部件数量和失败的几率。这种材料具有相互连通的孔隙,可以让液体或者气体通过。当液体或者气体通过时它还会动,而且它的长度能够扩展至原来的三倍,并能够恢复原状。

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  据了解,这种多孔通道是将盐与液体状态的橡胶弹性体混合在一起形成的,当盐被去除时弹性体开始固化,以密封一个器官或人工假体,这样空气或流体通过时候就不会泄漏。该人工器官的外面也可以涂上这种聚合物,然后减盐,从而可以防止该装置的外层渗透液体。创建一个3D打印的人工心脏仍然是Shepherd和他的同事的终极目标,不过在此之前,他们希望先创造一个简单点的装置,以辅助而不是取代心脏。"所以,我们现在真正想做的是一个能够环绕心脏的装置然后帮助挤压它。"Shepherd说,比如,在对患者的心脏进行CT和MRI扫描之后,医生可以根据获得的3D数据设计和打印出一个定制的设备,这个装置可以环绕并有节奏地推动心脏,以辅助心脏恢复其自然功能,更重要的是不会引起心脏损伤。

  除了心脏之外,研究人员也一直在使用该材料复制其他器官。在上月发表的一项独立研究中,Shepherd和他的团队还开发了一个3D打印的弹性体,可以成功地模仿章鱼触手的肌肉,其灵活性和运动能力在某种程度上可与真正的章鱼触手相媲美。

  新型3D打印水凝胶:开创医疗天地

  近日,美国德州的一个研究团队开发出一种全新的技术。该技术通过加入海藻酸盐,可以在3D打印水凝胶过程中实现前所未有的耐用性和精度控制。据悉,这种生物材料兼具弹性和强度,十分类似我们自己的自然组织,因此可用来3D打印一些需要承重的部件,比如膝盖软骨,也可以减少那些遭受运动损伤或者其它外伤的患者的关节置换需要。

  凝胶是由一种亲水性聚合物链的组成的,可以用于制作简单的组织和细胞支架,被认为是一种优良的生物相容性材料。正是因为其高含水量使得他们能够模仿生物组织的柔性。但是遗憾的是除此之外水凝胶的强度太低、容易变形,因此无法用于像膝盖这样的承重关节。而在凝胶中,他们也加入了适量的海藻酸盐,简单地说,这种海藻酸盐,是一种粘性胶状聚合物,可以链接松散的凝胶网络,使其更强、更耐磨,并且在3D打印时保持精确的形状。

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  此外,科学家们还通过将该水凝胶结构浸入氯化钙溶液引入钙离子。这些离子会与海藻酸盐形成交联,使其更加强大。由此而产生的钙和海藻酸盐水凝胶的抗拉强度高于任何其他水凝胶生物材料,与人类自然的软骨不相上下。

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  "组织工程的一个主要挑战是制造出符合临床要求的尺寸、形状和结构完整性的对象。3D生物打印已具备达到这个目标的潜力。"WakeFores再生医学研究所主任AnthonyAtala说。

亮点二:生物科技前沿应用创新

  3D打印人造血管正式面世

  德国弗朗霍夫激光技术研究所研究人员成功利用3d打印技术制造出人造血管,这一技术突破有望广泛应用在治愈皮肤创伤、人工皮肤再造和人造器官等医学领域。

  重大事故受伤、大面积烧伤或肿瘤切除的病人经常需要对创面皮肤进行再造,目前的医疗技术只能对皮肤表层厚度(真皮和表皮)不超过200微米进行人工再造,而对包括皮下组织的几毫米厚完整皮肤系统还不能进行再造,因为涉及到血管组织,没有血管的养分供应,超过200微米的人造皮肤就没法存活。为此,弗朗霍夫激光技术研究所牵头的跨学科团队承担了欧盟项目"artivasc3d",开发出3d打印技术制造人造血管。

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  3d打印制造血管的关键是要找到合适的打印材料,其适合作为移植血管的物理特性和生物相容性,必须与内皮和毛细血管周围细胞组织相容,以及适合于3d打印的可加工特性。为了符合这些条件,研究人员采用了喷墨打印与立体光刻相结合的方法。利用这一组合方法,他们解决了打印只有20微米厚的多孔、多分叉人造血管的关键技术。

  这项技术为大面积烧伤等皮肤严重损伤的病人,以及因手术创伤需进行皮肤再造或血管再造的病人带来了福音。研究人员表示,这项技术不仅限于打印人造血管,还可以作为一个工具箱,以选择不同的材料、几何体和大小,用于制造多种人体组织或人体器官,未来在医学上的应用前景非常广阔。

  3d打印刚火起来,大家就想到打印人体器官了,而打印血管是万里长征第一关。去年已有两个小组宣布成功打印血管了。随着各路人马开发合适材料,移植人造血管和皮肤已是不远的事。一旦实现,烧伤和手术创伤修复,将不再考虑供源和排异反应,那会是21世纪外科医术的精彩呈现。

  英国3D打印干细胞获突破

  近日,英国爱丁堡Heriot-Watt大学的科学家们公布了他们在3D干细胞打印领域获得的一项新突破,这一成果可能导致针对患者自身特点单独定制药物的给药方案和对于医学动物测试需求的减少。

  这一突破是由该校工程与物理科学院Will Shu博士带领的研究团队与Roslin Cellab公司协作取得的。后者是一家专门提供按合同研究和产品开发服务的苏格兰公司,经常与学术机构共同合作。该公司在《Biofabrication》杂志的一篇报道中解释说,他们主要建造了一台能够打印来诱导干细胞的3D打印机,而这些干细胞主要来自病人自己的细胞。

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  尽管在公众舆论中干细胞的应用有很大的争议,但是就目前这个创新而言,很少人能够提出意见,因为它依赖于病人自身的细胞。虽然最早用来进行3D生物打印的干细胞来自胚胎组织,但是由于争议过大,如今的生物打印机已经转而使用诱导多能干细胞(iPS)或者多能干细胞。它们可以用来生成不同器官的细胞类型,甚至包括脑细胞。

  据研究团队称,这一突破性技术可能的应用是多方面的,其中包括3D打印人体组织样本,以用来测试药物--并能够减少有争议的医学动物实验的需要;另外这种方法也可以用于开发只适合某一特定病人的药物,以尽可能地减少药物副作用,有人称之为个性化医学。

  据了解,目前苏格兰的研究人员们正处于研究(3D打印)个性化药物的前沿。爱丁堡大学最近设立了一个总额为1140万英镑的基金以推动培养基于干细胞的生物有机体,并尝试将其用于定制药物。位于格拉斯哥的Queen Elizabeth大学医院甚至成立了投资2000万英镑的分层医学苏格兰创新中心(Stratified Medicine Scotland Innovation Centre),在那里进行类似的研究。

  世界断骨愈合技术取得重大突破!

  如今,断胳膊断腿似乎都不是很严重的问题,因为大部分都很容易医治,对伤者不会造成任何持久的影响。但是,有时候一些严重的伤势,往往需要在患者体内打上钢钉之类的帮助受伤骨愈合。这些植入物长时间留在人体内,有时候会产生比较严重的副作用,比如感染、关节炎等。为此,美国匹兹堡大学的研究人员一直在努力寻找一种方法来使用3D打印技术,以便更好地修复断裂,断裂的骨头,而无需使用金属钉之类的。近日,他们似乎已经找到了解决方案。

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  该校工程学教授Prashant Kumpta和他的团队开发出用镁和铁的合金制成的一种类似腻子似的材料,这种材料可以根据骨折的实际情况通过增材制造技术制成特定形状,然后植入伤处以辅助骨骼恢复。而且这种腻子似的材料不仅能够帮助修复骨骼,而且能够在骨骼愈合的同时自行溶解,当骨骼完全恢复之后它也就溶解完毕,不留下任何痕迹。

   据了解,这种腻子似的材料,是用一种专有的水基液体加上由磷酸钙组成的白色粉末,再加上一种保密的成份混合而成的。目前,这种材料已经成了研究团队工作的重点,研究人员希望该材料能够与3D打印技术相结合在医学领域产生更多的应用。

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  研究团队的下一步就是要将这种材料报送美国食品药品管理局(FDA)批准。Kumpta相信这不会是一个问题,因为该材料的所有的成分组成都是已被FDA批准过的。目前,匹兹堡大学已获得该材料的专利,而且已授权一家外部公司,并通过该公司正在开展临床前试验。

  亮点三:生物打印高端设备问世

  3D打印超微型针头横空出世!

  2015年10月1日,来自Akron大学和Texas大学的科学家们宣布,他们开发出了一种开创性的技术,该技术可用于生产3D打印的微针头。这种针头的长度不超过1毫米,使用生物材料制成,能够无痛地将药物传递到患者体内。它们可以用来治疗多种疾病,包括皮肤癌等,并有助于减少与注射相关的问题,比如晕针等。

  这种全新的3D打印微针头则提供了一个非常有前景的解决方案,并可能最终完全绕开可能诱发痛苦、恐惧的药物注射。根据科学家们的研究报告 ,这种经皮肤给药的药物传递系统的好处包括患者更加配合、能够控制药物释放等,当然还包括患者的无痛体验。科学家们预计这种微针头可用于传送像疫苗、胰岛素和甚至阿司匹林等生物医药制剂。

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  在这项研究中,研究人员报告说他们为这种新设备制造了一种载药阵列,可以实现化疗药物的透皮给药。上述载药阵列由25根聚富马酸二羟丙酯(PPF)微针组成,该针头的尖端和基部直径分别为20微米和200微米,针头长度为1毫米。为了制造出这样的针头阵列,研究人员采用了微立体光刻(microstereolithography)技术。

  然而,即使使用这种已经相当成熟的微技术,整个3D打印过程也绝非易事。据该论文作者Jae-Won Choi介绍说,这些生物材料中包含了一些不可打印的溶剂和药物。为了解决这个问题,研究人员将达卡巴嗪(dacarbazine,一种抗肿瘤化疗药物,通常用于治疗皮肤癌)在进行交联(该3D打印过程的最后一部分)之间混入溶液。此后,经过测试,证明了这些微针头能够承受被插入病人皮肤之后可能产生的压力和应力。

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  虽然还需要进一步研究,但是毫无疑问,无论对于患者还是医生来说,这都是一种很有前景的技术,并且可望在未来5到10年内引进医院。

  双注射3D打印头 生物医学的大革命

  作为与人类健康关系密切的前沿领域,生物3D打印技术近年来的发展可谓极其迅猛,几乎每隔一段不长的时间,新的技术就会破茧而出。最近,阿根廷拉普拉塔国立大学的研究中心又在这方面取得了一项新的进展-他们开发出了一种特制的3D打印头,能够同时控制两个注射器,从而让医生依照具体的几何形态打印出生物高聚物,并以一种全新的方式将它们结合起来。

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  据了解,打印头原型是Katz使用一台RepRap 3D打印机设计、制造和修改的,其中的每一台挤出机都安装有一个马达,一个固定支架和一个活动支架。当马达转动时,内部的结构就会上下运动,控制注射器的活塞将其中装有的液体材料挤出。

  在之后的实际测试中,研究者们选用了液体海藻酸钠和钙进行了实验,最后的结果非常好:在打印台表面相互接触时,两种物质便随即固化成了可以实现层层堆积式打印的凝胶状态,而这正是他们希望看到的。除了这项测试,该系统还成功打印出了一种可改变心脏跳动程度的凝胶性药物。

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  作为一种简单易用的生物打印工具,这种双注射型3D打印头有助于在天然及人工聚合物等非常规材料领域,以及与生物材料、细胞材料和混合系统的结合中实现创新。赢得奖项之后,Katz和他的团队计划继续研究,提高系统在温度、精度和杀菌方面的能力,再将其投入到实际应用中。目前,这一项目已经获得了阿根廷政府的大力资助,有望于近期内取得更大的进展。

  结语:生物科学神秘莫测,而3D打印技术与生物科技的相融性也是早些时间人们所没有预料到的。我们相信,作为新一代的高端科技,3D打印与生物学相互结合,才能发挥更大的价值,才能真正擦出新的科技"火花"!




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2017年5月24-26日 上海世博展览馆



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