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国际生物制造协会重磅发布《生物3D打印路线图》

发布时间:2020-04-14 21:28:39 | 人气:476

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激光天地导读:

近日,国际生物制造协会发布了生物3D打印发展路线图,在这里,江苏激光产业技术创新战略联盟秘书处带大家先一探究竟。


如下为文章首页截图:

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3D生物打印技术的出现为临床医学提供了崭新的3D空间和无限可能,3D生物打印技术同时满足了个体化、安全性以及经济性三大原则。结合计算机技术,基于术前CT 三维重建、核磁共振等多种医疗手段,3D生物打印技术将在医疗产业大展宏图。


有待应用的生物3D打印技术:

3D生物打印技术的医学应用主要集中于检查、模型、工具、内置物、生物内植物等方面。具体包括:

1、打印个性化器官结构模型:3D生物打印的器官结构模型可以精细地显现病灶,这将很好地指导医生进行手术,提高手术成功率;[打印个性化工具模具:3D生物打印技术可根据患者个体尺寸打造适应性临床手术工具;

2、打印个性化内植物假体:3D生物打印技术可根据患者个体尺寸来打造个性化内植物假体,具有更好的融合性,该技术可增加结构的纳米化性能、抗菌性、生物相容性,但目前的内植物假体还不能满足生物力学要求,打印产品仅限于内植物假体表面结构,如关节等。

3、3D打印内置物材料:3D生物打印技术可打印金属材料、可降解材料、甚至细胞分子等生物材料,该技术在肿瘤领域的应用良好,例如切除骨结构的病患可植入3D打印的骨骼。

4、3D打印控释药物:利用3D生物打印技术打印药物,使得药物一经服用则可不断释放药力,不用患者一再服用,增加便利性。

5、3D打印活体器官:肝单元、肾单元、心脏、血管、 骨、软骨等已经能够打印,但这些打印器官真正应用于临床还需要不断努力。目前,人工关节已经应用于临床,但主要在假体表面结构领域。


生物打印打印路线图的发布对该技术的选择应用和确定该技术发展的现状及面临的挑战是大有裨益的。同时在路线图中对该技术的发展进行了展望,也给年轻的学者指出了存在的问题、挑战以及可能的发展趋势,对他们也是有所帮助的。该路线图为多位各领域的专家针对生物打印的问题,提出了自己的看法和简介,具体包括如下内容:

1. 关于生物3D打印

2. 从细胞增殖到细胞打印

3. 用于生物打印的生物墨水的开发

4. 干细胞的3D打印

5. 细胞团簇与类器官的大规模高效生产

6. 血管系统和组织构建的策略

7. 用于疾病研究的体外生物学模型

8. 生物器官芯片的开发

9. 多细胞工程生命系统的制造

10. 太空上的生物3D打印(又叫微重力生物打印)

11. 实现生物3D打印的工艺技术


作为生物制造中的核心技术,生物3D打印可以用来制造细胞、蛋白质和生物材料,这些同我们建造大厦所用的砖头一样,是构建生物体的基本组成部分,即构件人体这个大厦所使用的砖头。生物打印技术可以打印出生物模型、生态系统和用于治疗的产品等。如今,这一技术随着应用领域的不同而得到迅速的发展。如打印组织支架和植入物、打印用于生物模型的细胞和类器官以及用于人体的生物器官芯片等。这里常用的生物器官芯片主要有细胞机器和生物机器人(见下图所示)。生物打印已经从早期的医疗植入物模型打印、内部支撑物的打印发展到生物体外用的细胞培养支架的打印等。生物3D打印技术让生物体外的再生实验研究和病理发展的研究(如癌症的研究)、药物反应的研究变得更为便利。生物打印的这些广泛的应用刺激了新颖的生物墨水的研发、器官移植工程、个性化癌症的治疗和新药研制的快速发展。



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先进的生物打印技术


生物打印虽然发展迅速而且应用日趋广泛,但不可否认的是,仍然面临着诸多的挑战,这些挑战主要包括(不仅仅限于本文所列):(1)用于打印的生物墨水:开发易于传输、防护和易于细胞生长的多功能新一代生物墨水。(2)打印工艺:开发更方便的打印工艺和性能更稳定可靠的礼遇细胞生长和可精确打印的打印装备。(3)交联技术:开发效率高、性能好的生物打印技术以及可以同时保证打印后的性能完整且稳定的打印技术。(4)长期细胞培养:满足完整系统的流体装置以满足长期细胞模型的培养。


本路线图相对来说比较完整,几乎囊括了生物打印所涉及到的方方面面。该报道从常见的从细胞打印到软体组织、植入器官的打印到生物芯片的打印。最近新出现的太空生物打印(微重力打印)均做了介绍。


以其中的章节——生物墨水的打印为例,,美国爵硕大学终身讲席教授、中国清华大学特聘教授、Biofabrication主编、上普生物首席科学家孙伟教授从构造单元层面提出了生物3D打印的五个阶段:第一个阶段是无生物相容性材料的打印;第二个阶段是打印具有生物相容性但不能降解的材料;第三个阶段是打印具有生物相容性可降解的材料;第四个阶段是打印活性细胞;第五个阶段是打印类器官。他表示,生物3D打印虽然发展迅速,但从技术层面来说仍面临着许多的限制,需要多方协同努力,攻坚克难。他指出,生物墨水的打印面临的挑战有:(1)设计的生物墨水必须能够采用当前或今后发展出来的打印设备进行打印,同时打印的分辨率要求满足需要的精度。(2)在打印前后细胞的性能能够得到保持而不受损伤和损失。(3)提供适宜的细胞生长环境一保证细胞的正常生长。(4)如何平衡细胞的打印性能和保证细胞的生物性能之间的关系是应用的一大挑战。同时,细胞的几大生长阶段,如增殖、分化、(细) 胞外基质沉积、细胞的植入等。见下图所示。



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挤压式生物打印的墨水



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挤压式 和平版印刷术生物打印所用的墨水



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多材料生物3D打印重建



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整体、自动的多器官生物器官的打印




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设计和实际3D打印制造出的太空中使用的磁空间供给器,已经得到认证许可



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生物打印技术分类表



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部分生物3D打印交联技术



除了孙伟教授,还有美国北卡罗莱纳州立大学Binil Starly,Edward P Fitts;美国宾夕法尼亚大学AndrewC Daly,Jason A Burdick;德国维尔茨堡大学Jürgen Groll;英国思克莱德大学Gregor Skeldon, Wenmiao Shu;日本东京大学Yasuyuki Sakai,Marie Shinohara,Masaki Nishikawa;韩国浦项科技大学Jinah Jang,Dong-Woo Cho;日本东京大学Minghao Nie,Shoji Takeuchi;美国加利福尼亚大学洛杉矶分校Serge Ostrovidov,Ali Khademhosseini;美国麻省理工学院Roger D Kamm;俄罗斯莫斯科第一国立医科大学Vladimir Mironov;荷兰马斯特里赫特大学Lorenzo Moroni;美国宾夕法尼亚州立大学IbrahimT Ozbolat等专家。


总之,这篇综述性文献可谓是集结了生物3D打印领域的半壁江山,而本篇文献的意义也正如本篇文章的策划人孙伟教授所言:生物3D打印的方法论和技术水平持续发展,其应用领域也在不断地升级和变换,生物3D打印路线图旨在通过提供详实的总结和建议,帮助行业资深和新入的研究人员一个思路和方向。


原文来源:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ab5158

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The bioprinting roadmap

Wei Sun1,2,24, Binil Starly3, Andrew C Daly4, Jason A Burdick4, Jürgen Groll5, Gregor Skeldon6,7, Wenmiao Shu8, Yasuyuki Sakai9, Marie Shinohara9, Masaki Nishikawa等,Biofabrication, Volume 12, Number 2,2020


延伸阅读:生物3D打印的市场


自2014年以来,得益于政策鼓励及技术发展,中国3D生物打印行业保持快速发展。2014-2018年,中国3D生物打印行业市场规模由3.3亿元增长至10.5亿元,年复合增长率为33.4%,预计2018-2023年中国3D生物打印行业市场规模仍将保持快速增长。


2014-2018年我国3D生物打印行业市场规模统计

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资料来源:公开资料整理


我国的3D生物打印行业,相比全球来说市场规模也算大。一是因为我国人口基数大,二是因为我国老龄化程度深。2018年全球3D生物打印市场规模为10.53亿美元,预计在2022年全球3D生物打印市场规模将达到23.36亿美元。


2015-2022年全球生物3D打印市场规模统计

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来自:华经情报网


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中国的医中国的医疗器械市场规模4000多亿元人民币,而全球的医疗器械市场规模4000多亿美元。从药品和医疗器械人均消费额比例看,中国的药械比大概是1比0.351,远高于发达国家的1比0.98。与国际市场相比,中国医疗器械市场还有巨大的成长空间。


数据来源:贤集网 著作权归作者所有。新华网、 环球网、火石创造。


点击下载原文:The bioprinting roadmap.pdf


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