清華大學生物制造中心主任孫偉：3D生物打印及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢

清華大學生物制造中心主任孫偉：《3D生物打印及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢》主題演講。

    孫偉：3D打印大家都知道，計算機模型，通過打印裝備。
   
這是一個咖啡杯，我們不用3D打印機打印咖啡杯，因為它太簡單了，我們是打印用常規(guī)方式不能做的。3D打印有三個特色，創(chuàng)新、個性化、快速，正因為這個特色，它在醫(yī)療界找到了特別好的應用，因此形成了新的學科，叫生物3D打印。也就是我們用的材料不一樣，不是打印發(fā)動機，不是用金屬，其實也可以用金屬，是打印關(guān)節(jié)，我們用的是生物3D打印材料，尤其是我們用細胞、生物單元，比如用蛋白質(zhì)等等，我們用三維打印的方式在體外構(gòu)建生物體。

這里有一個動畫，是我們通過不同的噴頭把紅色的、綠色的和生物材料用噴頭打印，構(gòu)成空間的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這是模擬體內(nèi)的環(huán)境。這樣生物影響因子把紅的內(nèi)壁細胞排列，對工程師來說，這是細胞組裝，構(gòu)建了一個三維的高級的生物學模型。但是對于再生醫(yī)學的科學家來講，我們構(gòu)建的是一個血管再造模型。也是我們可以按照干細胞生物材料通過打印的方式來構(gòu)建這樣的生物模型，用這些模型做組織工程產(chǎn)品，用這些模型做藥物檢測、疾病研究等等。
   
為什么通過3D打印構(gòu)建這種三維的模型呢？第一，人的細胞是在三維環(huán)境下生長的，所以在三維環(huán)境下我們還原細胞在體內(nèi)的三維環(huán)境。比如我們合作研究怎么把子宮癌細胞3D打印體外模型，看它在培養(yǎng)盤里面有什么樣的現(xiàn)象�？梢钥吹�，不光細胞形態(tài)學不一樣，最關(guān)鍵抗藥性不一樣，在癌癥研究來說，很多二維癌癥研發(fā)藥就不起作用了。另外在三維細胞模型，在生物學應用是一個革命性的趨勢。為什么生物學家不用這些模型呢？因為他沒有制造手段，還是基于二維培養(yǎng)盤。我們團隊的工作，也是希望怎么建立三維的細胞模型，生物學模型，能夠幫助這些生物學家更好的研究生物學。南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。

   

如果回頭看，生物3D打印整個技術(shù)發(fā)展可以按照生物材料生物學性能分成四個階段：第一階段是醫(yī)療模型，做手術(shù)導板等等。第二是做永久植入，比如鈦合金打印等等，做假肢或者關(guān)節(jié)，所以用可以降解、可以吸收的，必須與生物相容的，用它做復雜的工程支架，可以讓細胞更好的再生組織。第四個層次，我們直接把活體細胞蛋白和基于生物活性的東西，把它作為一個基本單元，用3D打印構(gòu)建一個生物體外的模型。

   

在第一層到第三層主要是技術(shù)應用，前面已經(jīng)談了很多了，像關(guān)節(jié)、植入等等，像利用SLA和激光燒結(jié)打印各種組織支架等等。清華大學也有非常好的特定技術(shù)，就是低溫沉積，在生物材料在零下30度溫度下打印，最后可以形成大孔、小孔，大孔可以做細胞的粘附，小孔提供營養(yǎng)，我們做了一系列的動物實驗。但是在第四個層次上，我們把細胞作為單元來作為生物3D打印，在這個層次上主要是側(cè)重在體外仿真生物結(jié)構(gòu)體的制造，在這個層次上它的發(fā)展就使得傳統(tǒng)上我們只注重結(jié)構(gòu)和形狀的制造，比如第一到第三層次，延拓到構(gòu)建體外細胞結(jié)構(gòu)體和生物裝置，并應用于再生醫(yī)學、病理學等等。

   

比如，我們可以把癌癥細胞進行打印，比如免疫癌癥治療里面T細胞、D細胞，它們進行組合以后受到癌癥細胞的感染，T細胞被D細胞激活，然后去攻擊癌癥細胞。這里面我們用單細胞打印技術(shù)來構(gòu)建，T細胞和D細胞之間進行運動傳遞。構(gòu)建這樣一個細胞模型需要獨特的技術(shù)，需要單細胞打印技術(shù)，因為必須要在20微米的環(huán)境內(nèi)，我們因為這個細胞去研究什么樣的環(huán)境可以激發(fā)它產(chǎn)生免疫效應，這樣給作為疾病或者藥物研究提供一種參考的依據(jù)。

   

另外我們跟陳院士合作，構(gòu)建體外癌癥發(fā)展的不同階段的模型。比如陳院士提出，當有一個癌細胞形成作用之后癌細胞怎么產(chǎn)生變化，當有許多的癌癥細胞，當完全的癌細胞組合，它們之間怎么樣？我們用3D打印方式構(gòu)建了單個細胞和正常細胞的組合，同時構(gòu)建多癌細胞組合，就是體外的癌癥的生長模型，讓這些癌癥學家更好研究癌癥和藥物。體外的腫瘤模型3D打印，通過生物材料整合讓它長成體外模型，并且來看兩維和三維結(jié)果不一樣，比如基因上調(diào)和基因下調(diào)大量的不一樣。

   

第二是微器官芯片構(gòu)建。我們希望通過微型器官去檢測藥物的作用，為什么要構(gòu)建微型器官？一般藥物檢測都是用動物模型，動物模型和人的免疫系統(tǒng)不一樣，另外更多是用兩維培養(yǎng)盤模型，兩維培養(yǎng)盤模型就是我前面談到的，它的細胞在體內(nèi)和體外不同，體內(nèi)是三維的，所以二維細胞往往也不合適，利用這種結(jié)果做出來的藥物毒性的檢測往往不準確，也就造成了研發(fā)新藥90%動物實驗通過，但是臨床通不過，而且即使過了培養(yǎng)盤檢測，但是在臨床還是不行。
   
在這個題目里面，我們做了怎么構(gòu)建三維的微型肝臟，這個微型肝臟不是具有真正肝臟全部的功能，它是具備肝臟新陳代謝的功能，在體外構(gòu)建類似于內(nèi)組織，讓藥物在身體里面流動，通過內(nèi)皮細胞深入到細胞當中去。這個作用的目的，因為宇航員上天之后每天都吃一顆防輻射藥，但是在那種極端的狀態(tài)下通過肝臟新陳代謝出來的藥對于第二器官，比如大腦、皮膚、肌肉、骨骼會有影響，所以希望構(gòu)建這樣的微型器官模型。也是通過這個，可以作出大量的應用，因為這些東西沒有辦法放在動物里面，因為沒有辦法把動物放在空間站里面去。
   
另外是再生醫(yī)學模型，打印胚胎干細胞，單個不分化，于是我們用三維打印模式，讓它進行成團分化。通過三維動因構(gòu)建胚胎干分化，有三個特點，第一靠自己生長出來，而不是靠細胞聚集。第二它完全保持內(nèi)分化狀態(tài)。第三它可以控制胚胎球的狀態(tài)。這個工作利用干細胞再分化做下面的東西提供了最好的基礎原料。

   

我們團隊里面有20多個博士，整個團隊里面打印細胞做了十幾年，細胞打印我們最關(guān)注三個問題：第一能不能打印，第二打印能不能成形，因為不能成形的話，不能形成孔結(jié)構(gòu)沒有辦法把營養(yǎng)液放進去，打印結(jié)構(gòu)內(nèi)部細胞會死。第三即使把細胞活著打出來之后，這個細胞能不能具有功能？它必須從癌癥細胞變成腫瘤，或者必須從某一個細胞分化成特定的細胞，這是我們一直在做的。這里面牽扯到很多，不光是基礎科學，也牽扯到制造學問題，比如能不能打印，如果噴頭太小，你打印的墨水太黏，比如牙膏，那細胞打出來全死了，因為黏度太大。如果用粗的噴頭，對成形性又有影響。所以要非常注意，首先要選擇什么樣的噴頭、什么樣的材料、什么樣的粘稠度，使得這個細胞打出來，至少保證90%以上能成活。
   
第二步就是分化，就是成形的問題。成形一般來說都是用交聯(lián)的方式，這里面四種交聯(lián)模式中至少用一種。比如第一個我們打印的是癌癥細胞，在給一定的參數(shù)條件下，能夠保證90%的細胞是成活的。但是相同的打印參數(shù)，相同的材料，我們能夠達到50%的活性，如果把相同的東西再作為胚胎干細胞打印，只能保證14%的活性。所以任何情況下打印細胞，都要仔細去琢磨用什么樣的打印參數(shù)，而不是把細胞材料組合起來去打印。所以第一個要調(diào)控參數(shù)，這里面我們用明膠和海藻酸鈉打印，這兩種材料組合變成生物墨水的時候，就具有可以隨著溫度變化的趨勢，于是我們可以調(diào)控這個溫度，使得這個生物墨水在打印的時候延遲性最小。比如打印噴頭的時候溫度，不同的顏色就表明細胞打印裝置有不同的溫控區(qū)域，對于打印細胞來說，要求的溫控、打印工藝等等更加復雜。

清華大學90年代末開始從事生物3D打印研究，現(xiàn)為中國機械工程學會生物制造工程分會掛靠單位，以及中國生物材料學會生物材料先進制造分會掛靠單位。比如我們用低溫沉積打印做的骨頭支架，我們把軟骨和硬骨組合在一起，同時打印出來之后，直接成形，直接硬骨和軟骨同時長，最后證明硬骨和軟骨可以結(jié)合。同時打印血管，通過仿生，通過不一樣的打印方式打印血管。以及現(xiàn)在打印可降解的冠狀動脈支架。同時在深圳研究生院的通過打印的方式來打印眼角膜。同時做了宮頸切除之后怎么樣做修復，使得不僅宮頸能夠恢復原來的結(jié)構(gòu)，同時載藥模型進一步防止癌癥的復發(fā)。另外，我們把iPS細胞打印成團，以及進行hiPSC三維模型鑒定。

   

我們希望能夠轉(zhuǎn)化成專業(yè)化的東西，使得能夠作出一些裝備、工具，使得這些生物學家們或者醫(yī)學家們更好的去研究，于是我們建立了上普。創(chuàng)辦于2014年，集20年來國際性生物制造和生物3D打印核心技術(shù)為基石，從事生物三維打印創(chuàng)新性裝備、生物墨水和高級生物3D打印產(chǎn)品研發(fā)及在精準醫(yī)療、高端醫(yī)療機械、體外藥物篩選模型、革新華腫瘤治療和組織工程產(chǎn)品制造中的應用。首先根據(jù)我的專利買出來以后，我們自己用這些專利成立了美國的研究院，在14年5月份在北京，與清華團隊合作，17年成立了深圳研究室，重點在芯片方面的研發(fā)。
   
我們主攻產(chǎn)品是醫(yī)療器械個性化需求，藥物研發(fā)藥毒性檢測，組織器官芯片以及癌癥的個性化治療，同時多細胞復雜組織構(gòu)建。因為我們基于是基于多年的科研基礎，清華大學生物制造中心、清華大學深圳研究院和我們的研究中心，同時我們和全球的高校以及醫(yī)院進行合作，主要是分四個方面，第一是裝備，因為我們打印了20多年，我們有最好的裝備，我們知道什么樣的裝備能解決什么樣的問題，我們能夠把這些裝備產(chǎn)業(yè)化，提供給不同領域。這里面包括低溫沉積、細胞3D打印、精準熱溶擠壓3D打印、定制化與集成功能生物3D打印。我們希望把這些知識轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品，來幫助這個領域發(fā)展。同時我們想把最好的東西，有價值的，能產(chǎn)業(yè)化的，包括心臟支架、個性化腫瘤、藥物檢測等等。同時我們和協(xié)和醫(yī)院合作，和腫瘤醫(yī)院合作，把病人組織拿過來，癌癥組織拿過來，把里面癌細胞分離出來，通過癌細胞打印成形，一周以后去檢測哪種腫瘤藥有效。這是為癌癥個性化治療提供的方案。同時建立生物產(chǎn)業(yè)和技術(shù)服務平臺，對于希望用這些模型，但是不具有或者不想買這些裝備，或者不具有這方面專業(yè)知識的我們來提供，我們提供細胞模型，我們來提供芯片，來進行藥檢等等方面的服務。
   
這是生物3D打印裝備，在國內(nèi)很多領先的科研單位或者大學、醫(yī)院、公司也引進來了，同時這些裝備在全世界最好的學校都有上普的裝備。墨水是基于我們多年的細胞打印專業(yè)知識和它的技術(shù)來調(diào)配，來提供這個領域的服務，同時我們還打印特定的支架。
   
如果回頭看整個領域里面，不管是在科研還是產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，生物3D打印就像3D打印一樣，生物3D打印也是提供的一個共性技術(shù)，但是解決的領域不一樣，是為生物學服務的，生物制造不僅僅是制造學從使用單一的結(jié)構(gòu)材料，到使用功能材料，從生物材料到生命材料，它的學科拓展和延伸。同時是工程材料生命及信息醫(yī)學，這里面為個性化的醫(yī)療和離散化服務實現(xiàn)提供了必要的共性技術(shù)手段。
   
這是我們制定的規(guī)劃，也就是09年的時候，大概兩到三年植入物、假肢、支架、細胞打印會出現(xiàn)，往下五年會到病、藥理模型打印，再過10年功能組織打印，再過15年器官打印。
   
從產(chǎn)業(yè)化來說，生物墨水、軟件、裝備，這是國外權(quán)威的報道，比如14年到2030年來說，重點研發(fā)下一代生物三維打印機，將提供更多功能。到2030年，市場容量將達到數(shù)十億美元。另外3D打印構(gòu)建個性化組織工程制品及細胞復雜組織結(jié)構(gòu)具有廣闊的市場前景，2020年，市場容量將達到60億美元。另外，3D生物打印關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的帶動，會提供大量的技術(shù)手段。
   
最后感謝基金委、科技部、教育部等等部門。
   
再次感謝。