盤點：2016年生物3D打印領域突破進展

在過去2016年一年中，國內外生物3D打印技術取得了許多重大突破。例如3D打印人體腎臟，打印生物血管在體實驗成功。近年來，3D打印技術在生物醫(yī)療領域的應用越來越受到重視，最大程度恢復人體機能的正常功能。而生物3D打印與醫(yī)療3D打印是不同的方向，確實，3D打印為生物發(fā)展鋪平了道路，這也得益于3D打印機獨特的重建人體組織結構能力。接下來，南極熊將為大家盤點2016年生物3D打印領域的十大進展，和大家一起回顧這一年3D打印在生物領域的重要事件。

藍光英諾3D生物打印血管在體實驗成功
熊眼都愣住了，我國藍光英諾生物3D打印血管，用到30只猴子身上

2016年12月11日，四川藍光英諾生物科技股份有限公司向全球發(fā)布了由其團隊承擔國家“863”計劃的3D生物打印促進人工血管內皮化的研發(fā)項目取得的重大突破：3d打印生物血管成功植入恒河猴體內，實現血管再生。

截至 2016 年 12 月 1 日，藍光英諾已完成 30 只恒河猴 3D 生物打印血管體內植入實驗，實驗動物術后存活率為 100%。術后對植入血管取出進行功能觀察，截至 2016 年 12 月 1 日，對實驗動物植入血管的結構和功能一致性觀察分別從最短 1 天內即時觀察到最長104 天持續(xù)觀察不等，在實驗期內，所有實驗動物在 3D 生物打印血管植入后，其脂肪間充質干細胞均有序分化為內皮細胞、平滑肌細胞等血管組織，在 3D 生物打印血管再生完成后，其結構和功能均與實驗動物自身血管的結構和功能一致，實驗動物各項生理指標均未發(fā)現異常。上述實驗結果與原定實驗預期一致有效，且打印材料取自實驗動物自體的脂肪間充質干細胞，保證了該血管移植在體內的安全性，藍光英諾研發(fā)團隊認定該動物實驗取得成功。

哈佛大學研發(fā)出3D打印腎小管
哈佛又出黑科技：3D打印出“活的”腎臟結構

在3D打印技術方面領先全球的哈佛大學近日又取得了重要的新進展 — 他們利用生物3D打印機創(chuàng)建出了能模擬部分人類腎臟功能的近端小管結構。該結構雖然體積不大，但對于整個腎臟及其過濾功能來說卻十分重要，所以，這項成絕對可以說是生物3D打印領域的又一大突破。

據了解，要完成3D打印腎小管，首先要在室溫下用一種含有人類干細胞的凝膠支撐3D組織網格。隨后再使用另一種可在冷卻時變成液體的凝膠流出網格，以留下可生長的血管。將材料封閉在細胞外基質中，將生長因子加入到中空通道中，以促使干細胞分化成特定的細胞類型。這種3D打印的腎小管可以存活超過兩個月。

英國科學家開發(fā)出新型干細胞生物墨水
新型干細胞生物3D打印墨水：能打印出骨骼和軟骨

英國布里斯托大學（UB）的科學家就又開發(fā)出了一種新的生物墨水 — 它混合有干細胞并且能很好地支持后者的生長，所以很適合3D打印軟骨和骨骼植入物等人工結構。

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這種新型墨水是由UB細胞與分子醫(yī)學學院Adam Perriman博士領導的團隊研制的。它的成分中除了干細胞，還有兩種聚合物 — 從海藻中提取的天然聚合物，以及醫(yī)學中常用的一種合成聚合物。前者的功能是作為干細胞生長所需的營養(yǎng)，后者的作用則是令墨水在溫度升到一定程度后固化。

美國科學家找到新方法可3D打印出更強人類組織
美國科學家找到新方法可3D打印出更強人類組織

當前，生物3D打印通常都會遇到一個障礙，就是如何打印出能讓細胞存活和生長的支架結構。對于這個問題，通常的解決方法是先用水凝膠打印出需要的結構，再將細胞注入。不過現在，美國賓州大學（PSU）的科學家們找到了一種更好的辦法，就是將細胞與藻酸鹽混合，然后直接進行打印。這種方法最大的優(yōu)點就是生成的組織具有十分理想的機械特性。

這個項目的團隊帶頭人Ibrahim T. Ozbolat表示，用水凝膠的方法雖然很普遍，但仍存在明顯的問題 — 這種由聚合物鏈和水組成的物質會限制細胞的活動，阻止它們像在正常組織中那樣相互交流，從而嚴重影響打印組織的機械完整性。另外，水凝膠在降解后還會產生對細胞生長有害的物質。

但使用藻酸鹽這種從海藻中提取的天然物質就沒有這樣的問題。據南極熊了解，這主要是因為它可以形成直徑（0.76-1.27）毫米的管道，而細胞（這里以軟骨細胞為例）恰好被注射進在這種管道，然后存活至少1周時間。這期間，細胞會順利地相互結合，形成可輕松移動的軟骨細胞串，而它可以很好地代替生物墨水作為3D打印的材料。

美國西北大學研發(fā)出高韌性3D打印陶瓷油墨，可更好促進骨骼再生

美國西北大學研發(fā)出高韌性3D打印陶瓷油墨，可更好促進骨骼再生

美國西北大學的材料科學家在骨骼再生領域取得了進展，他們研發(fā)出一種適合3D打印的羥基磷灰石材料，該材料被加入了一定比例的乳酸-羥基乙酸，這讓3D打印的支架在無需添加生長因子的情況下也具有良好的骨骼再生促進能力，并且擁有更高的韌性。

研究團隊表示盡管促進再生的生物材料已得到了大量關注和發(fā)展，但目前的材料在迅速促進骨骼再生的能力和生產能力方面仍有不足之處，他們的目標是在這方面有所突破，并使材料適合3D打印，未來可以讓醫(yī)生在醫(yī)院的實驗室中通過3D打印機快速制造出所需的骨骼支架。

科學家們創(chuàng)建了一臺可以制造器官、組織和骨骼的3D打印機


2016年2月15日，美國北卡羅萊納州維克森林大學（WakeForestUniversity）再生醫(yī)學研究所的科學家們創(chuàng)建了一臺可以制造器官、組織和骨骼的3D打印機，理論上，這些打印出來的器官、組織和骨骼能夠直接植入人體。這一成果已于當日發(fā)表在科學雜志《NatureBiotechnology》上。

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據了解，此次研發(fā)的3D打印機使用計算機控制的噴嘴以一種非常精確的模式逐層擠出沉積材料，主要含有人體細胞的水凝膠。實際上，該3D打印機擁有多個噴嘴，一些擠出水凝膠，還有一些則擠出可生物降解材料，用來給打印出來的組織提供結構和強度支持。當輔助材料溶解和組織在機器中完成孵化時，它就有可能植入人體。

目前還有待觀察維克森林大學的這款3D打印機是否能夠真的打印器官——他們將很快在實際的人類身上進行測試。研究人員在其論文中說，在其打印的器官可以真正在一個人身上進行測試之前，他們的技術還需要“進一步發(fā)展”。

Organovo推出3D打印人類腎臟
Organovo推出3D打印人類腎臟，股價大漲5%

2015年，知名生物3D打印公司Organovo推出了其首款生物3D打印產品 — ExVive人類肝臟�，F在南極熊獲悉，該公司終推出了第二款同類產品 — ExVive人類腎臟并宣布很快就會將其商業(yè)化。受此影響，該公司股價大漲5.33%，最終收于4.15美元。

南極熊了解，ExVive人類腎臟是一種近端小管模型，能幫助科學家更有效地研究藥物和特定治療方法對人類腎臟的影響，從而加速藥物開發(fā)進程。所以迄今為止，它已經接到了許多商業(yè)訂單。目前，這種人工器官已經通過了功能性驗證，被證明極其適合用于臨床測試，比如其近端管功能可以維持超過四個星期；其組織復雜有助于檢測損傷和恢復；其轉化功能可幫助評估腎毒性和藥物相互作用。

Organovo將開發(fā)可直接移植的3D打印人類肝組織
患者福音！Organovo將開發(fā)可直接移植的3D打印人類肝組織
里程碑！植入動物體內的3D打印肝組織成功產生了人類蛋白

作為當前生物3D打印領域的領軍企業(yè)之一，美國Organovo公司已經推出了多款十分有價值的生物3D打印產品，比如ExVive系列人類肝臟和腎臟�，F在南極熊獲悉，該公司又將目標對準了器官移植市場，即將開始研發(fā)可直接移植進人體的3D打印肝臟組織了。

目前，這種3D打印肝組織已經通過了一些臨床動物測試，在可移植性、血管功能和持續(xù)性方面都展現出了良好的狀態(tài)，所以接下來便會進入正式的臨床前開發(fā)階段。而根據Organovo的計劃，他們將主要針對慢加急性肝衰竭（ACLF）與小兒代謝性肝臟疾病2個方面進行研究，因為這兩類疾病的患者數量龐大，潛在的市場規(guī)模高達30億美元。

美國科學加開發(fā)降解型3D打印聚合物支架可用于食道癌治療
美國科學家正開發(fā)降解型3D打印聚合物支架可用于食道癌治療

美國佛羅里達亞特蘭大大學（FAU）的博士Yunqing Kang得到了來自美國國家癌癥協會（NCI）的14萬美元資金支持以開發(fā)一種可生物降解的3D打印聚合物支架。這種支架能夠減少食道癌治療時的并發(fā)癥，同時成為相關藥物的遞送裝置。

據南極熊了解，這種新型的組織工程支架將以Kang博士獨特的生物3D打印技術為基礎，使用生物降解型的彈性聚合物材料由專用的3D打印機制造。這種材料具有平衡的硬度和彈性，可以滿足支架需要擴展并與食管接觸的要求。

相比于上面提到的金屬支架，新支架有2個明顯的優(yōu)點：第一、由于使用可降解型材料，它會在被植入患者體內后逐漸溶解消失，所以就算治療完成也無需考慮取出的問題。這不但會令整個過程變簡單，而且不會再讓患者感到不舒服。第二、它能夠用來遞送抗癌藥物紫杉醇（PTX），從而幫助完成食道癌的局部治療。

CollPlant正開發(fā)用于生物打印的人體膠原蛋白基生物墨水
以色列公司正研發(fā)膠原生物3D打印墨水，已獲政府千萬投資

以色列的再生醫(yī)療公司CollPlant就正在開發(fā)以人類膠原蛋白為基礎的3D打印生物墨水（可用于制造人類組織和器官）。近日，該公司宣布，他們的這個項目得到了以色列經濟部首席科學家基金（CSIME）145萬美元（約合954萬人民幣）的支持。這對于該公司來說無疑是重大的利好消息，因為這筆資金已經接近了該項目總開銷（311.4萬美元）的一半。

據南極熊了解，RHC是通過向煙草中引入5組人類基因，再經多道工序，用煙草葉提取物加工而成的，已經在2015年為該公司贏得了同樣由CSIME提供的122萬美元資金支持。而以這種物質為基礎的膠原3D打印墨水將會具有效促進人類組織自然生長的功效，所以可用于研發(fā)3D打印的人類組織和器官，以治療燒傷等各種損傷。

用于骨骼修復的3D打印生物陶瓷植入物將很快上市
可用于骨骼修復的高吸收型生物陶瓷3D打印植入物即將上市！

由歐洲研究項目RESTORATION開發(fā)出的新型吸收式生物陶瓷材料很快就要上市了。這種材料能通過3D打印技術制成個性化的關節(jié)植入物，然后通過實施微創(chuàng)手術很好地解除患者的病痛�？捎糜谌�種不同的應用：下頜骨、脊椎和膝蓋。由于最終的檢測結果相當出色，這些產品有可能會在幾年之內出現在市場上。

據了解，這個為期4年的項目得到了歐盟的資金支持，主要目的是開發(fā)出一種新的陶瓷復合材料以用于整形和頜面外科的應用。該材料可以模擬骨骼結構，而且可以通過設計并3D打印出詳細匹配植入部位的機械要求的植入物。此外，一些陶瓷還具有生物活性，這意味著它們可以被人體充分吸收。

NanoDimension開發(fā)高精度干細胞3D生物打印機
Nano Dimension申請3D打印干細胞專利，欲打印人類組織器官

電子3D打印大咖Nano Dimension（ND）通過與生物技術公司Accellta結盟正式進入生物3D打印界的消息�，F在，僅僅幾天后，這家以色列公司就在這方面又向前邁進了一步 — 他們剛剛申請了一項3D打印干細胞的美國專利，旨在通過使用干細胞和生物墨水實現人類組織器官的3D打印。

據了解，活細胞3D打印技術已經在醫(yī)學研究中起著重要作用，為了發(fā)揮這項技術的全部潛能，推動該領域的進一步發(fā)展，NanoDimension通過把自身的高速度、高精準度的噴墨功能與Accellta的干細胞懸浮技術和誘導分化功能結合在一起，使得3D打印具有高分辨率和高容量”。

該項解決方案已經在可行性研究中被測試過，它使用了Accellta基于懸浮技術細胞培養(yǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)每批可產生數以億計的干細胞。有了大量的優(yōu)質細胞，這兩家公司能打印更大、更復雜的組織和器官。

日本生物3D打印血管再生
日本研發(fā)3D打印血管與神經技術 ，生命的希望

日本多家科研機構在研究使用3D打印技術生產血管等復雜組織。日本佐賀大學將iPS細胞(人體誘導多功能干細胞)培育出的細胞群打印成管狀結構，制成血管。京都大學利用3D打印技術制成包裹著神經的筒狀組織，并將其移植到實驗鼠身上，實現了神經的再生。日本政府預計到2020年前后，iPS細胞將可用于治療心臟病等疾病，正在加緊掌握與人體組織形狀相近的人造立體組織移植技術。

iPS細胞不僅被用于治療眼部的疑難病癥，未來還可能被用于治療心力衰竭和脊髓損傷。在培育用于移植治療的長血管和立體內臟時，管狀和袋狀的組織結構常需要使用很多細胞。研究團隊認為，既然3D打印技術的原理是層層疊加樹脂材料打印成立體作品，如果用細胞代替樹脂，也可以打印出立體的組織。

佐賀大學教授森田茂樹的研究團隊將人類iPS細胞培養(yǎng)出可發(fā)育成血管的細胞群，并在多排細針組成陣列的微型基座上層層串起細胞，最后打印出長2厘米，直徑5毫米的管狀結構。

將管狀結構細胞從細針上取下，內部使用培養(yǎng)液貫穿。數天后分化成不同種類的細胞會在內壁形成細胞層，最終形成血管。今后將在豬身上進行血管移植實驗。該研究使用了發(fā)源于九州大學的新創(chuàng)企業(yè)Cyfuse與澀谷工業(yè)合作研發(fā)的“Bio3D打印機”

科學家開發(fā)出能替代軟骨的可3D打印生物玻璃
一種新型生物玻璃材料：能以墨水形式3D打印，還能自我修復
生物玻璃是一種神奇的人工材料，具有良好的韌性、生物兼容性和生物降解性，能與天然生物組織形成鍵合作用，所以能起到修復甚至替代天然組織，或促進組織再生的作用，是迄今為止唯一既能與骨組織成鍵結合，又能與軟組織相連接的人工生物材料，在醫(yī)療方面用途極為廣泛。

據南極熊了解，這兩所高效已經研制出了一種全新的生物玻璃材料。它不但像其它生物玻璃一樣具備與天然人類軟骨相似的屬性，而且能以墨水的形式進行3D打印，還能夠自我修復。

這種特性對于制造人工軟骨來說意義重大，因為軟骨這種結構比較脆弱，很容易損壞卻很難修復，而且雖然目前已經能通過生物工程人工培養(yǎng)了，但過程卻十分復雜和緩慢。不過現在，這些問題已經由這種新材料同時解決了。此外，就像前所說，這種新材料還具有許多其它優(yōu)點，比如強韌、耐用、彈性高、回復力強、良好的生物兼容性和降解性。

小結
生物3D打印技術是3D打印技術與醫(yī)療技術的深度結合。它不僅可實現更精準的手術，更安全有效的藥物控釋，還可以制造出用于移植或藥物實驗的組織或器官，是再生醫(yī)學的主要分支。本文帶你縱覽生物3D打印技術的前世今生與商業(yè)應用。3D打印技術被視為一項顛覆傳統(tǒng)生產方式的革命性技術，必將對人類生活、學習和工作產生深遠的影響。

3D打印的優(yōu)勢在于可實現復雜產品的設計與制造，并使小批量定制化產品的成本降低。我國醫(yī)療行業(yè)引入3D打印技術，始于上世紀80年代后期。隨著3D打印技術與醫(yī)療技術的發(fā)展和深度結合，3D打印不僅可實現更精準的手術，生產更適合個體需求的各種醫(yī)學內植物、助聽器、義齒、義肢，更安全有效的藥物控釋，還可以制造出用于移植或藥物實驗的組織或器官，是再生醫(yī)學的主要分支。

回顧2016年，生物3D打印技術似乎在一步步地前進，但是每一小步對于醫(yī)學的發(fā)展都是一大步。未來，我們期待生物3D打印技術更加成熟，以幫助更多人克服疾病困擾！

在最后南極熊送上之前盤點的海外9家生物3D打印公司帶你預覽技術趨勢