清華大學(xué)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(shì)

清華大學(xué)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(shì)》主題演講。

    孫偉：3D打印大家都知道，計(jì)算機(jī)模型，通過(guò)打印裝備。
   
這是一個(gè)咖啡杯，我們不用3D打印機(jī)打印咖啡杯，因?yàn)樗�太�?jiǎn)單了，我們是打印用常規(guī)方式不能做的。3D打印有三個(gè)特色，創(chuàng)新、個(gè)性化、快速，正因?yàn)檫@個(gè)特色，它在醫(yī)療界找到了特別好的應(yīng)用，因此形成了新的學(xué)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(dòng)機(jī)，不是用金屬，其實(shí)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(xì)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(gè)動(dòng)畫(huà)，是我們通過(guò)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(xì)胞排列，對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，這是細(xì)胞組裝，構(gòu)建了一個(gè)三維的高級(jí)的生物學(xué)模型。但是對(duì)于再生醫(yī)學(xué)的科學(xué)家來(lái)講，我們構(gòu)建的是一個(gè)血管再造模型。也是我們可以按照干細(xì)胞生物材料通過(guò)打印的方式來(lái)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(cè)、疾病研究等等。
   
為什么通過(guò)3D打印構(gòu)建這種三維的模型呢？第一，人的細(xì)胞是在三維環(huán)境下生長(zhǎng)的，所以在三維環(huán)境下我們還原細(xì)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(xì)胞3D打印體外模型，看它在培養(yǎng)盤(pán)里面有什么樣的現(xiàn)象�？梢钥吹�，不光細(xì)胞形態(tài)學(xué)不一樣，最關(guān)鍵抗藥性不一樣，在癌癥研究來(lái)說(shuō)，很多二維癌癥研發(fā)藥就不起作用了。另外在三維細(xì)胞模型，在生物學(xué)應(yīng)用是一個(gè)革命性的趨勢(shì)。為什么生物學(xué)家不用這些模型呢？因?yàn)樗麤](méi)有制造手段，還是基于二維培養(yǎng)盤(pán)。我們團(tuán)隊(duì)的工作，也是希望怎么建立三維的細(xì)胞模型，生物學(xué)模型，能夠幫助這些生物學(xué)家更好的研究生物學(xué)。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(gè)技術(shù)發(fā)展可以按照生物材料生物學(xué)性能分成四個(gè)階段：第一階段是醫(yī)療模型，做手術(shù)導(dǎo)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(fù)雜的工程支架，可以讓細(xì)胞更好的再生組織。第四個(gè)層次，我們直接把活體細(xì)胞蛋白和基于生物活性的東西，把它作為一個(gè)基本單元，用3D打印構(gòu)建一個(gè)生物體外的模型。

   

在第一層到第三層主要是技術(shù)應(yīng)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(xué)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(xì)胞的粘附，小孔提供營(yíng)養(yǎng)，我們做了一系列的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。但是在第四個(gè)層次上，我們把細(xì)胞作為單元來(lái)作為生物3D打印，在這個(gè)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(gè)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(xì)胞結(jié)構(gòu)體和生物裝置，并應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)、病理學(xué)等等。

   

比如，我們可以把癌癥細(xì)胞進(jìn)行打印，比如免疫癌癥治療里面T細(xì)胞、D細(xì)胞，它們進(jìn)行組合以后受到癌癥細(xì)胞的感染，T細(xì)胞被D細(xì)胞激活，然后去攻擊癌癥細(xì)胞。這里面我們用單細(xì)胞打印技術(shù)來(lái)構(gòu)建，T細(xì)胞和D細(xì)胞之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳遞。構(gòu)建這樣一個(gè)細(xì)胞模型需要獨(dú)特的技術(shù)，需要單細(xì)胞打印技術(shù)，因?yàn)楸仨氁��?0微米的環(huán)境內(nèi)，我們因?yàn)檫@個(gè)細(xì)胞去研究什么樣的環(huán)境可以激發(fā)它產(chǎn)生免疫效應(yīng)，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(dāng)有一個(gè)癌細(xì)胞形成作用之后癌細(xì)胞怎么產(chǎn)生變化，當(dāng)有許多的癌癥細(xì)胞，當(dāng)完全的癌細(xì)胞組合，它們之間怎么樣？我們用3D打印方式構(gòu)建了單個(gè)細(xì)胞和正常細(xì)胞的組合，同時(shí)構(gòu)建多癌細(xì)胞組合，就是體外的癌癥的生長(zhǎng)模型，讓這些癌癥學(xué)家更好研究癌癥和藥物。體外的腫瘤模型3D打印，通過(guò)生物材料整合讓它長(zhǎng)成體外模型，并且來(lái)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(guò)微型器官去檢測(cè)藥物的作用，為什么要構(gòu)建微型器官？一般藥物檢測(cè)都是用動(dòng)物模型，動(dòng)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(pán)模型，兩維培養(yǎng)盤(pán)模型就是我前面談到的，它的細(xì)胞在體內(nèi)和體外不同，體內(nèi)是三維的，所以二維細(xì)胞往往也不合適，利用這種結(jié)果做出來(lái)的藥物毒性的檢測(cè)往往不準(zhǔn)確，也就造成了研發(fā)新藥90%動(dòng)物實(shí)驗(yàn)通過(guò)，但是臨床通不過(guò)，而且即使過(guò)了培養(yǎng)盤(pán)檢測(cè)，但是在臨床還是不行。
   
在這個(gè)題目里面，我們做了怎么構(gòu)建三維的微型肝臟，這個(gè)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(lèi)似于內(nèi)組織，讓藥物在身體里面流動(dòng)，通過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞深入到細(xì)胞當(dāng)中去。這個(gè)作用的目的，因?yàn)橛詈絾T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(guò)肝臟新陳代謝出來(lái)的藥對(duì)于第二器官，比如大腦、皮膚、肌肉、骨骼會(huì)有影響，所以希望構(gòu)建這樣的微型器官模型。也是通過(guò)這個(gè)，可以作出大量的應(yīng)用，因?yàn)檫@些東西沒(méi)有辦法放在動(dòng)物里面，因?yàn)闆](méi)有辦法把動(dòng)物放在空間站里面去。
   
另外是再生醫(yī)學(xué)模型，打印胚胎干細(xì)胞，單個(gè)不分化，于是我們用三維打印模式，讓它進(jìn)行成團(tuán)分化。通過(guò)三維動(dòng)因構(gòu)建胚胎干分化，有三個(gè)特點(diǎn)，第一靠自己生長(zhǎng)出來(lái)，而不是靠細(xì)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(gè)工作利用干細(xì)胞再分化做下面的東西提供了最好的基礎(chǔ)原料。

   

我們團(tuán)隊(duì)里面有20多個(gè)博士，整個(gè)團(tuán)隊(duì)里面打印細(xì)胞做了十幾年，細(xì)胞打印我們最關(guān)注三個(gè)問(wèn)題：第一能不能打印，第二打印能不能成形，因?yàn)椴荒艹尚蔚脑?huà)，不能形成孔結(jié)構(gòu)沒(méi)有辦法把營(yíng)養(yǎng)液放進(jìn)去，打印結(jié)構(gòu)內(nèi)部細(xì)胞會(huì)死。第三即使把細(xì)胞活著打出來(lái)之后，這個(gè)細(xì)胞能不能具有功能？它必須從癌癥細(xì)胞變成腫瘤，或者必須從某一個(gè)細(xì)胞分化成特定的細(xì)胞，這是我們一直在做的。這里面牽扯到很多，不光是基礎(chǔ)科學(xué)，也牽扯到制造學(xué)問(wèn)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(xì)胞打出來(lái)全死了，因?yàn)轲ざ忍�大。如果用粗的噴頭，對(duì)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(gè)細(xì)胞打出來(lái)，至少保證90%以上能成活。
   
第二步就是分化，就是成形的問(wèn)題。成形一般來(lái)說(shuō)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(gè)我們打印的是癌癥細(xì)胞，在給一定的參數(shù)條件下，能夠保證90%的細(xì)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(dá)到50%的活性，如果把相同的東西再作為胚胎干細(xì)胞打印，只能保證14%的活性。所以任何情況下打印細(xì)胞，都要仔細(xì)去琢磨用什么樣的打印參數(shù)，而不是把細(xì)胞材料組合起來(lái)去打印。所以第一個(gè)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(shí)候，就具有可以隨著溫度變化的趨勢(shì)，于是我們可以調(diào)控這個(gè)溫度，使得這個(gè)生物墨水在打印的時(shí)候延遲性最小。比如打印噴頭的時(shí)候溫度，不同的顏色就表明細(xì)胞打印裝置有不同的溫控區(qū)域，對(duì)于打印細(xì)胞來(lái)說(shuō)，要求的溫控、打印工藝等等更加復(fù)雜。

清華大學(xué)90年代末開(kāi)始從事生物3D打印研究，現(xiàn)為中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生物制造工程分會(huì)掛靠單位，以及中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)生物材料先進(jìn)制造分會(huì)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(shí)打印出來(lái)之后，直接成形，直接硬骨和軟骨同時(shí)長(zhǎng)，最后證明硬骨和軟骨可以結(jié)合。同時(shí)打印血管，通過(guò)仿生，通過(guò)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(dòng)脈支架。同時(shí)在深圳研究生院的通過(guò)打印的方式來(lái)打印眼角膜。同時(shí)做了宮頸切除之后怎么樣做修復(fù)，使得不僅宮頸能夠恢復(fù)原來(lái)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)載藥模型進(jìn)一步防止癌癥的復(fù)發(fā)。另外，我們把iPS細(xì)胞打印成團(tuán)，以及進(jìn)行hiPSC三維模型鑒定。

   

我們希望能夠轉(zhuǎn)化成專(zhuān)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(xué)家們或者醫(yī)學(xué)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(lái)國(guó)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(jí)生物3D打印產(chǎn)品研發(fā)及在精準(zhǔn)醫(yī)療、高端醫(yī)療機(jī)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(yīng)用。首先根據(jù)我的專(zhuān)利買(mǎi)出來(lái)以后，我們自己用這些專(zhuān)利成立了美國(guó)的研究院，在14年5月份在北京，與清華團(tuán)隊(duì)合作，17年成立了深圳研究室，重點(diǎn)在芯片方面的研發(fā)。
   
我們主攻產(chǎn)品是醫(yī)療器械個(gè)性化需求，藥物研發(fā)藥毒性檢測(cè)，組織器官芯片以及癌癥的個(gè)性化治療，同時(shí)多細(xì)胞復(fù)雜組織構(gòu)建。因?yàn)槲覀兓�于是基于多年的科研基礎(chǔ)，清華大學(xué)生物制造中心、清華大學(xué)深圳研究院和我們的研究中心，同時(shí)我們和全球的高校以及醫(yī)院進(jìn)行合作，主要是分四個(gè)方面，第一是裝備，因?yàn)槲覀兇蛴×?0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(wèn)題，我們能夠把這些裝備產(chǎn)業(yè)化，提供給不同領(lǐng)域。這里面包括低溫沉積、細(xì)胞3D打印、精準(zhǔn)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(shí)轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品，來(lái)幫助這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展。同時(shí)我們想把最好的東西，有價(jià)值的，能產(chǎn)業(yè)化的，包括心臟支架、個(gè)性化腫瘤、藥物檢測(cè)等等。同時(shí)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(guò)來(lái)，癌癥組織拿過(guò)來(lái)，把里面癌細(xì)胞分離出來(lái)，通過(guò)癌細(xì)胞打印成形，一周以后去檢測(cè)哪種腫瘤藥有效。這是為癌癥個(gè)性化治療提供的方案。同時(shí)建立生物產(chǎn)業(yè)和技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，對(duì)于希望用這些模型，但是不具有或者不想買(mǎi)這些裝備，或者不具有這方面專(zhuān)業(yè)知識(shí)的我們來(lái)提供，我們提供細(xì)胞模型，我們來(lái)提供芯片，來(lái)進(jìn)行藥檢等等方面的服務(wù)。
   
這是生物3D打印裝備，在國(guó)內(nèi)很多領(lǐng)先的科研單位或者大學(xué)、醫(yī)院、公司也引進(jìn)來(lái)了，同時(shí)這些裝備在全世界最好的學(xué)校都有上普的裝備。墨水是基于我們多年的細(xì)胞打印專(zhuān)業(yè)知識(shí)和它的技術(shù)來(lái)調(diào)配，來(lái)提供這個(gè)領(lǐng)域的服務(wù)，同時(shí)我們還打印特定的支架。
   
如果回頭看整個(gè)領(lǐng)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(gè)共性技術(shù)，但是解決的領(lǐng)域不一樣，是為生物學(xué)服務(wù)的，生物制造不僅僅是制造學(xué)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(xué)科拓展和延伸。同時(shí)是工程材料生命及信息醫(yī)學(xué)，這里面為個(gè)性化的醫(yī)療和離散化服務(wù)實(shí)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(shí)候，大概兩到三年植入物、假肢、支架、細(xì)胞打印會(huì)出現(xiàn)，往下五年會(huì)到病、藥理模型打印，再過(guò)10年功能組織打印，再過(guò)15年器官打印。
   
從產(chǎn)業(yè)化來(lái)說(shuō)，生物墨水、軟件、裝備，這是國(guó)外權(quán)威的報(bào)道，比如14年到2030年來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)研發(fā)下一代生物三維打印機(jī)，將提供更多功能。到2030年，市場(chǎng)容量將達(dá)到數(shù)十億美元。另外3D打印構(gòu)建個(gè)性化組織工程制品及細(xì)胞復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)具有廣闊的市場(chǎng)前景，2020年，市場(chǎng)容量將達(dá)到60億美元。另外，3D生物打印關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)，會(huì)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(mén)。
   
再次感謝。