【分析】生物3d打印技术的应用现状及发展趋势-凯发k8网址手机下载

3d打印（又称“添加剂制造”）已成为推动新一轮技术创新和产业变革的重要力量。生物医学领域以其需求量大、个性化程度高、产品附加值高等特点，已成为三维打印技术的重要应用领域。目前，生物三维打印技术已应用于术前计划、体外医疗器械、牙科、金属植入物等领域。未来将朝着可降解体内植入物和三维打印生物组织/器官的方向发展。

1、 生物三维打印的内涵与发展

生物3d打印是基于离散堆积成形原理，以生物细胞、生物活性因子和生物材料为基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞的三维结构的技术。它集制造科学和生物医学于一体，是一项具有交叉性和前沿性的新技术。生物3d打印技术主要包括三个技术领域。一种是基于生物医学图像数据重建或三维数字模型设计和三维打印成形技术，可应用于术前规划、外科整形、外科导板等领域，满足个性化需求；二是基于仿生多尺度生物复杂结构设计与建模，建立具有多尺度复杂结构的生物系统模型，满足其形成和制造能力；三是组织支架和类组织结构的生物制造技术，包括基于生物材料三维打印的组织支架制造技术，基于细胞直接控制组装的含组织结构细胞制造技术，再生医学、疾病/药理学研究等的细胞/器官打印技术和细胞/组织/器官芯片制造技术。

**各国都把生物3d打印技术作为未来战略发展的关键方向，并高度重视布局。2011年，darpa建立了支持人体三维组织结构工程和制造的体外平台，包括循环、内分泌、胃肠、免疫、皮肤、肌肉骨骼、神经、生殖、呼吸和泌尿等10个生理系统，并计划在体内使用。2016年，日本厚生劳动省下属的中央社会保险医疗委员会将3d打印器官模型用于辅助医疗和手术的费用纳入标准医疗保险的支付范围，推动3d打印技术在医疗领域的应用。

我国高度重视生物3d打印技术和产业的发展。《**添加剂制造业发展促进规划（2015-2016）》将医药领域的添加剂制造作为重要发展方向。在科技部“十三五”**重大科技攻关项目中，生物3d打印被列为生物医用材料研发、组织器官修复与替换、干细胞与转化研究等三个项目，添加剂制造和激光制造。

近年来，我国生物3d打印成果不断突破。2014年，由清华大学机械系孙伟教授带领的生物制造团队，通过3d打印技术，在全球初次构建了宫颈癌hela细胞体外三维肿瘤模型。结果在bbc现场视频采访当天公布。清华大学化学系刘东生教授与英国瓦特大学威尔舒教授合作，初次实现了dna材料的三维生物打印。双方合作成果于2015年在《自然》杂志上联合发表，并作为学术热点报道。北京航空航天大学张德远团队在仿生制造领域发表了许多成果，包括仿生表面、仿生结构等在《自然》等**期刊上的著作。

2、 生物3d打印技术的应用现状

三维打印技术可以实现复杂生物结构的个性化、异构性的形成和制造，可应用于体外医学仿生模型、个性化植入装置、组织工程多孔支架和细胞三维结构的制造或构建过程，以及在个性化诊疗、定制化医疗器械、再生医疗、病理/药理学研究、药物开发和生物系统医学等领域发挥着重要作用。

清华大学生物制造中心根据材料的生物学特性以及是否植入人体，将生物3d打印技术分为五个应用层次，得到业界的广泛认可。

_个应用层是不考虑生物相容性的无体植入物，用于个性化医疗器械和生理/病例模型的三维打印，主要应用于术前规划、假体定制等领域。第二个应用层次是制造具有良好生物相容性材料的永久性植入物，包括人工骨、不降解骨钉、人工外耳、牙齿等；第三个应用层次是制造具有良好生物相容性和降解性的组织工程支架。组织工程支架不仅需要良好的生物相容性，而且能够支持甚至促进种子细胞的增殖、分化和功能表达。同时，支架需要适当的降解速率。在形成新的组织结构后，支架可以被降解成可被人体完全吸收或排除的物质。应用领域包括可降解血管支架等，第四个应用层次是细胞三维打印技术，用于构建体外生物结构。以细胞、蛋白质等生物活性物质为三维打印的基本单元，以离散堆积的方式直接打印细胞，建立体外生物结构、组织或器官模型。第五个应用层次是体外生命系统工程。通过对干细胞、微组织和微器官的研究，建立了体外生命系统和微生理组织。体外生命系统工程的研究不仅将生物制造领域拓展到复杂体外生命系统和生命机器的构建和制造，而且是细胞三维打印、微纳微流控芯片技术、干细胞技术和材料工程技术的进一步交叉。

在体外医疗器械领域，3d打印个性化手术指南的应用提高了手术成功率和手术精度，个性化矫形器械提高了矫形效果。中南大学湘雅医院应用三维打印髋关节模型和华曙科技部三维打印髋截骨导板，成功完成40余例髋关节置换术。消除了对医生临床经验的高度依赖，治疗成功率达。北京易家三维技术有限公司（以下简称“易家三维”）利用数字化步态采集技术，静态和动态采集患者的_数据，并利用3d打印设备制作骨科鞋垫，具有良好的骨科效果。

在牙科领域，3d打印义齿实现了准确种植，个性化的正畸托槽提高了正畸的准确性和托槽的美观性。易佳3d和北京三地科技有限公司采用激光选择性熔化（slm）技术生产个性化义齿，提高了种植体与患者牙龈的匹配度。上海正亚牙科科技有限公司利用上海联泰科技有限公司的sla设备，为数万名患者提供快捷、高精度的3d打印隐形牙套定制服务。

在骨科领域，骨修复技术日趋成熟，已广泛应用于各骨科医院。2015年7月，由北京大学第三医院和北京爱康亿城医疗器械有限公司联合研制的3d打印人工髋关节植入物获得**食品药品监督管理局批准，这是我国_个3d打印人体植入物。2016年7月，基于3d精密施工技术开发的脊柱椎间融合器获得**食品药品监督管理局正式批准，这也是我国首款获得**食品药品监督管理局市场许可证的金属3d打印椎间融合器产品。西安普利特激光成形技术有限公司生产的肱骨、肋骨、关节补片等钛合金植入物已成功应用于临床，患者术后恢复良好。

对于后三个层次的应用，是生物3d打印技术未来的发展方向和趋势。清华大学机械系生物医学实验室在国内率先开展了相关研究工作，并取得了一系列进展：针对关节软骨损伤的治疗，在山羊体内进行了6个月的基于三维低温沉积的骨-软骨复合支架的制备月，修复效果良好；基于rp芯溶解涂层工艺，形成多层多支血管支架；可降解冠状动脉支架的3d打印技术，实现支架的个性化定制，即将进行动物实验；宫颈癌hela细胞体外三维肿瘤模型的研究工作一经发表，就受到了bbc等有名媒体的高度关注。此外，四头生物3d打印设备和生物反应器的研究也取得了进展。同时，商业生物3d打印公司也推出了相关产品。2014年，organovo宣布，由biological 3d打印的肝脏exvive3d进入上市前临床试验，并计划向制药公司出售3d打印肝脏。上浦**生物科技有限公司是一家专业从事创新设备、生物油墨和先进生物3d打印产品的研发，以及在精密医学、高等医疗器械、体外药物筛选模型、个性化肿瘤治疗和组织工程产品制造等方面的应用。regen-3d-liver是geneflo biotechnology co.，ltd.的3d打印肝脏单位组织产品，已被默克等制药公司用于临床前药物筛选。

3、 我国生物3d打印发展的瓶颈

标准体系的缺乏严重制约了生物3d打印技术的应用。虽然我国在3d打印领域提出了7项**标准，但尚未建立起涵盖设计、材料、工艺设备、产品性能、认证和检测等方面的完整的3d打印标准体系，在生物3d打印领域更是凤毛麟角。未能搭建起技术与产业对接、应用与推广的桥梁，减缓了产业发展进程。

医疗领域市场巨大，但准入门槛高，在很大程度上制约了生物3d打印产业的发展。目前，3d打印植入物的审批时间过长，获得cfda认证至少需要3-5年时间，错失了行业发展的机遇。以人工膝关节市场为例，年产值约15亿元，5年的审批时间将使3d打印人工膝关节市场亏损75亿元。

4、 生物3d打印的发展趋势

随着生物3d打印技术的发展和学科的进一步交叉融合，有可能在体外生命系统工程领域（即生物制造的第五层次）取得突破性进展。从技术发展趋势来看，生物3d打印技术为制造科学从单一结构材料的使用到功能材料、生物材料和生命材料的应用奠定了科学基础；干细胞技术和生物/生命材料的发展提供了必要的基础材料；细胞3d打印提供了核心制造手段（打印先进的生物模型，编码集成微纳米技术和微流控芯片技术可以生产出先进的仿生生物反应器，可用于培养生命系统和生命机械装置。

基于细胞三维打印技术，利用胚胎干细胞、诱导多能干细胞（ips细胞）、新型生物墨水等细胞和生物活性物质构建_、肝脏、_、子宫、肺等大规模功能组织和器官，是当前的研究前沿和热点。该技术为生物制造复杂组织结构模拟病理微环境带来了新的机遇。未来，它可能会给再生医学、癌症治疗研究、新药研发等领域带来颠覆性的影响。

体外三维组织器官编码模型和体外微生理系统是新的研究思路和方向，可以更好地提高药物检测的准确性，缩短药物开发周期。该技术以三维打印技术、微制造技术等为基础，利用生物微流体技术在芯片上模拟器官活动和生理特性。微流控技术可以在体外模拟心、肝、肺等系统。器官芯片和类人芯片从根本上改变了药物检测手段，给新药研发带来了颠覆性的变化。它们已成为治疗癌症、肿瘤等疾病的新手段和新方法。例如，新加坡国立大学教授余英年（henry yu）的研究团队建立了一个用于人体药物检测的多通道三维微流控系统。该系统同时模拟肝、肺、肾和脂肪组织。结果表明，该系统与单独培养的组织具有不同的特性，与体内实际情况接近。可见，体外微生理系统可以更真实地模拟体内环境，成为近期动物实验的有效替代品。