3D生物印表機是一種能夠在數字三維模型驅動下，按照增材製造原理定位裝配生物材料或細胞單元，製造醫療器械、組織工程支架和組織器官等製品的裝備。
基本介紹
- 中文名：3D生物印表機
- 外文名：3D bio-printer
- 提出時間：2000年左右
- 作用：製造醫療器械、組織工程支架等
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介紹
3D生物印表機是一種能夠在數字三維模型驅動下，按照增材製造原理定位裝配生物材料或細胞單元，製造醫療器械、組織工程支架和組織器官等製品的裝備。
3D生物列印這一技術概念最早是由美國Clemson university、University of Missouri、Drexel University等大學的教授在2000年左右提出，2003年Mironv V和Boland T在Trends in Biotechnology雜誌系統提出“器官3D列印”這一概念。2002年左右，清華大學顏永年教授率先在國內開展3D生物列印技術研究。
2010年Organovo公司推出可以幫助用戶製造生物組織用於研究和開發的3D生物印表機。 2014年11月，Organovo推出了其可商用的3D列印人體肝臟組織exVive3DTM，用於臨床前藥物測試。（YAHOO）
2013年8月7日Regenovo公司與杭州電子科技大學等高校的科學家合作，成功研製出可同時列印生物材料和活細胞的3D印表機。2015年10月10日， Regenovo公司推出第三代生物3D列印工作站。利用這款生物3D列印設備，成功批量“列印”出肝單元用於藥物篩選。（新華社、人民日報）
2015年10月29日，四川藍光英諾生物科技股份有限公司成功研製出世界首創的3D生物血管印表機。（人民日報）
功能介紹
3D生物印表機（3D bio-printer；3D biology printer ）是一種能夠在數字三維模型驅動下，按照增材製造原理定位裝配生物材料或細胞單元，製造醫療器械、組織工程支架和組織器官等製品的裝備。
這種機器首先讀入由醫學影像數據重建或設計的三維模型，將模型離散成多個片層，計算機控制列印噴頭逐層"列印”列印由生物材料或細胞組成的“生物墨水”，不斷重複這一過程，直至列印完成三維組織前體。隨後，細胞開始重新組織、熔合，形成新的血管等組織結構。
Organovo公司執行長基思·墨菲在接受《工程師》雜誌採訪時指出，最終有一天，只需輕輕按下按鈕，就能讓3D生物印表機製造出我們所需要的器官。
組成結構
3D生物印表機基於現有技術發明，這些技術當前被用以製造工業零部件的3D模型。生物印表機的不同之處在於，它不是利用一層層的塑膠，而是利用一層層的生物材料或者細胞構造塊，去製造真正的活體組織
3D生物印表機可以有多個列印噴頭，噴頭可以列印人體細胞，被稱為“生物墨”；也可以列印純生物材料，被稱為“生物紙”。所謂生物紙其實是主要成分是水凝膠，可用作細胞生長的支架。3D生物印表機使用來自患者自己身體的細胞，所以不會產生排異反應。
過程
3D 生物列印一般有以下三步驟：生物列印前、生物列印中、生物列印後。
生物列印前
生物列印前，需要先計畫細胞支架的結構並選擇列印中會使用到的材質。
開始列印前，要先取得患者器官的組織檢體和醫學影像。 使用電腦斷層和核磁共振取得患者的醫學影像，是最常見的方法。取得影像後，利用軟體將平面的醫學影像重建出立體結構，並分離出預計要培養的細胞並加以增量後，便完成列印前的準備。這些細胞將和液態的特殊生物材質，在細胞混合器中混合。這種特殊生物材質能提供，細胞生存所需的氧氣與其他營養物質。在某些特殊情況，細胞甚至會被放入直徑500微米的小球中，被保護起來。混入液體凝膠中的細胞並不需要細胞支架即可生存。這些細胞和營養基質的混合物將被放入管狀的容器中，在列印的過程被擠壓出來，以形成組織的形狀。
生物列印中
生物列印第二步驟，將套用到生物墨水。生物墨水指的就是細胞與維生物質混合的液體基質，在第二步驟中，生物墨水將被放在生物印表機的墨水匣中，依照患者的醫學影像資料，依序列印。生物列印所製造出來的初始組織物，將被送入細胞培養器中，慢慢地將充滿細胞的初始組織培育成真正的組織。
生物列印常常會需要將細胞平均散布到生物相容的支架上，這些生物相容的支架由積層製造法製造而成，最終形成了立體的組織似的架構。生物列印所製造的人工肝臟與人工腎臟，目前仍舊缺乏像是血管或是腎小管等的功能性單位，而且非常難以培育成多細胞的完整器官。
發展前景
國外
2013年5月出版的《新英格蘭醫學雜誌》發表公開信，科學家成功將3D列印出的氣管支架植入嬰兒體內。
密西根大學安阿伯分校的醫學博士大衛·措普夫（David A.Zopf）和同事描述了這例移植手術。接受移植的嬰兒患有局部支氣管軟化症，手術中使用的可吸收支架由聚己內酯構成。
作者指出，患兒母親在妊娠35周產下了這個名叫 Kaiba Gionfriddo 的男嬰，看起來身體健康，但在6個星期後出現胸壁凹陷和呼吸困難。發生這種情況，意味著在2個月大之前，都需要氣管插管，以維持通氣。因此，他們用計算機設計了一個患兒氣管支架的模型，使用熱塑性的生物可吸收材料，通過雷射燒結技術製造了一個氣管支架。在移植手術中，依靠支架上的孔洞與氣管進行固定。在安置支架7天后，開始逐步撤除機械通氣機，並在手術後21天完全停止呼吸機支持。一年以後，通過內窺鏡造影手術觀察患兒的左主支氣管，發現一切正常。到目前為止，沒有發生過任何支架相關的問題。
中國
媒體2013年8月7日來自杭州電子科技大學等高校的科學家自主研發出一台生物材料3D印表機。科學家們使用生物醫用高分子材料、無機材料、水凝膠材料或活細胞，已在這台印表機上成功列印出較小比例的人類耳朵軟骨組織、肝臟單元等。
該生物材料3D印表機研發團隊負責人、杭州電子科技大學教授徐銘恩說，這台生物材料3D印表機具有列印生物材料種類多、對細胞損傷率低、列印精度較高和操作方便等特點。同國際同類印表機相比，這台名為“Regenovo”的3D印表機不僅實現了無菌條件下的生物材料和細胞3D列印，而且新型的溫控單元和列印噴頭設計，能夠支持從－5℃到260℃熔融的多種生物材料列印。
徐銘恩介紹說，“Regenovo”支持活細胞列印，列印的細胞有著高達90%的存活率。目前列印出來的活細胞存活時間最長為4個月。
不過，從人體細胞、組織乃至器官被“列印”出來，到真正套用於臨床，還有相當長一段路需要走。徐銘恩說，這需要多種領域的科學家通力合作。
