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    3D打印有望成为医疗领域主流应用 市场前景广阔

    2016-01-28来源:3D帝国网

      近年来,3D打印技术发展迅速,被认为具有引发新一轮科技革命的潜能。相较于传统制造业,3D打印具有突破传统设计空间、个性化、小批量和高精度等优势。3D打印在多个领域应用广泛,尤其在生物医疗方面,由于医疗行业鲜有标准的量化生产,能够有效发挥3D打印的优势,因此该技术已率先在医疗领域获得应用上的突破。 目前3D打印技术在医疗的应用主要体现在三个方面:

      一、基于生物3D打印的人工组织器官制造

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      3D打印在人工组织器官上的应用,主要包括对组织器官解剖结构的重建和优化设计、细胞3D打印技术、打印组织器官的培养和功能诱导。其中细胞3D打印技术是目前研究的核心。建立在离散制造和组织工程理论上的细胞3D打印,是在组织器官解剖学数字模型驱动下,定位装配活细胞单元,制造组织或器官前体的新技术。细胞3D打印是目前快速制造领域研究的前沿科技,也是目前制造人工器官最被看好的技术,已经在生命科学基础研究、临床医学和药物开发方面显示出巨大的应用价值。

      二、基于生物3D打印技术的药物开发

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      在药物研发领域,高通量药物筛选技术(HTS)由于脱离体内的真实系统环境,成功率很低,业界迫切需要建立更仿真机体的3D组织模型来实现高内涵筛选(HCS)。细胞3D打印技术为解决这一问题提供了新的理论和技术。2015年8月,首款由Aprecia制药公司采用3D打印技术制备的SPRITAM(左乙拉西坦,levetiracetam)速溶片得到美国食品药品监督管理局(FDA)上市批准,2016年正式售卖。这意味着3D打印技术继打印人体器官后进一步向制药领域迈进,对未来实现精准性、针对性制药有重大的意义。该款获批上市的“左乙拉西坦速溶片”采用了Aprecia公司自主知识产权的ZipDose3D打印技术。

      三、基于生物3D打印的个性化医疗制造

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      生物3D打印技术还可应用于制造个性化的医疗器械制造领域,根据患者实际需求定制个性化的医疗器械,以满足不同患者的诊断和治疗的需求。病人的体型和疾病情况各不相同,目前标准形制的支架、手术导板、假体、钢板等植入或非植入性医疗器械只能契合标准型患者临床需求,其余患者则达不到最佳治疗效果。所以对患者需求的组织修复体及手术器械等进行个性化设计和加工就显得非常重要。传统的制造方式很难保证低成本获取与病人完全相符的生物医学用品。医学信息技术和生物三维打印技术结合可以围绕患者,短时间、低成本定制个性化医疗器械,达到最佳治疗效果。生物3D打印技术在个性化手术器械、基于器官模型的术前模拟、术中种植与切割导板等中可以广泛应用,也能够制作各类对形状和功能有个性化需求的植入物,从而实现了诊断手术治疗流程的数字化、个性化、网络化,这是对传统生物医用零件产品产业链的根本性改变。

      医疗领域未来将成3D打印产业主战场

      目前,3D打印界一致共识认为,医疗3D打印是产业的主攻方向。

      所谓医疗3D打印,是指用3D打印的方法成型生物材料,特别是细胞材料,用来制造人工的组织、器官,还有各种假肢、手术导板等一系列生物医疗领域的产品。它是3D打印研究中最前沿的领域。现阶段,医疗3D打印的应用主要包括:血管打印、细胞打印、组织工程支架和植入物打印、假体打印和手术器械打印。

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      生物3D打印技术因其快速性、准确性,以及擅长制作复杂实体的特性,使其在医疗领域具有广阔的应用前景。尤其是随着3D打印与传统的医学影像采集,如CT、ECT等技术结合,再加上与3D建模技术结合之后,在人工假体、人工组织器官的制造方面将产生巨大的推动效应。

      据悉,第一例成功植入人体的3D打印器官是在美国,密歇根大学公共医疗中心为一名气管有先天性缺陷的男孩在喉咙里植入了一个3D打印机制作的人工气管,帮助其正常呼吸;北京大学研究团队于2014年8月成功地为一名12岁男孩植入了3D打印脊椎,这属全球首例;上海一家医院做了3D打印的心脏瓣膜;医生和科学家们使用3D打印技术为英国苏格兰一名5岁女童装上手掌。目前,国外3D打印技术在医疗领域的应用已经可以打印肝细胞、肾细胞,而且这些打印的器官是有功能的。

      3D打印+医疗存在巨大的想象空间。未来,3D打印骨骼修复、打印心脏、人工血管,甚至是打印心脏、人造皮肤都将可能实现。

      3D生物打印创新成果不断涌现

      不容忽视,目前3D打印在生物医疗领域依然有不同程度的难题,生物信息的搜集、打印“墨汁”的研发、打印设备昂贵、标准的缺乏等都是“拦路虎”,但科学的探索并未止步,不断涌现的创新成果在为3D生物打印加速科技成果转化注入动力。

      3D生物打印的核心技术是生物砖(Biosynsphere),即一种新型的精准的具有仿生功能的干细胞培养体系。它以含种子细胞(干细胞、已分化细胞等)、生长因子和营养成分等组成的“生物墨汁”,结合其它材料层层打印出产品,经打印后培育处理,形成有生理功能的组织结构。

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      当前大部分用于3D打印的墨水是由热塑性塑料、硅树脂、胶原、明胶或藻酸盐制成。然而,这些材料的使用有很多限制。例如,温度和pH值变化,以及交联反应都可能破坏研究人员加入到墨水中的细胞及其它生物成分。此外,这些材料经常需要使用抗生素或细胞激素进行处理,会影响到墨水中的细胞。

      目前科学家们已经开发出了一种用蚕丝制作成的墨水——蚕丝蛋白,是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白,含量约占蚕丝的70%~80%,含有18种氨基酸,其中甘氨酸(gly)、丙氨酸(ala)和丝氨酸(ser)约占总组成的80%以上。具有良好的生物相容性,能够作为组织工程中提供干细胞生长的支架材料,也能够应用于骨再生的支撑材料。蚕丝蛋白也能够做成微球和生物黏合剂,用于药物分散的载体和手术创伤的缝合。在生物医用材料领域的应用前景甚广,目前已经很多产品打着蚕丝蛋白的概念在销售。

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      2015年10月,四川蓝光英诺生物科技股份有限公司研制出全球首款3D生物血管打印机,致力于实现以血管再生为核心,构建具有完整生物学功能的组织器官,实现病变、衰老组织器官的精确修复和替代。该公司以干细胞为核心的3D生物打印技术体系已经完备,包括医疗影像云平台、生物墨汁、3D生物打印机和打印后处理系统四大核心技术体系,器官再造在未来成为可能。

      路漫漫其修远,3D生物打印应用发展前景可期。对于3D打印在医学领域的应用,有人提出了“3D打印生命阶梯”的预想,无生命的假肢位于阶梯的底层;中间是简单的活性组织,如骨与软骨;简单组织之上将是静脉和皮肤;最靠近阶梯顶层的将是复杂且关键的器官,如心脏、肝脏和大脑;而生命阶梯的顶层将是完整的生命单位。随着3D生物打印技术的不断发展,势必将掀起新一轮的医学革命。

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