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杭电研发中国首款生物3D打印机 可打印活的3D器官组织
来源: 浙江在线-今日早报 时间: 2013年08月07日 07:47:25   字体设置:

 
徐铭恩教授研制出生物3D打印机。
 
生物3D打印机制作出的肾脏组织

  放入生物喷墨,就可打印出活的器官组织。

  最近,杭州电子科技大学生物制药研究中心负责人徐铭恩,及其团队最新研发出这样一款“利器”——中国首款生物3D打印机。

  7年的准备、1年的研发,徐铭恩团队的研发成果超越了德国的生物3D打印机。去年,国际顶级期刊Biomaterials将这款3D打印研究评价为其领域的最高水平。

  那么,这款生物打印机究竟“高”在何处?它又有何用?昨天,记者走入杭州电子科技大学生物制药研究中心实验室,一探究竟。

  3D的器官组织,怎么打印

  实验室内,生物3D打印机正在打印肝小叶(肝组织)。“打印一个,大概需40分钟至1小时的时间。”徐铭恩介绍。

  3D的器官组织怎么打印?喷头每来回运作一次,肝小叶就增厚一点。原来,它是一层层地打印,这么一个肝小叶大概需要打120层。

  其实,每一层的打印路径都有讲究。“这款生物3D打印机,打印之前可先分层预览,确定每层的速度温度等,确定最佳的打印路径。不过,分层控制还不够智能,有时需要手动。这个,还需要改进。”徐铭恩解释。

  打印槽的四周,均是0℃的环境,适宜细胞的存活。“这是一个由独立固态制冷单元和传热管网形成的温控设计,德国的3D打印机只有底板能保持低温,而我们的整个打印腔和喷头都能控制在低温。细胞只有在低温之下,才能在打印过程中保持高存活率。”

  但仅仅0℃,还不足以保证打印出来的肝小叶存活并生长出细胞。“细胞很柔软,可打印需要挤压,我很好奇,这个喷头到底怎么做到细胞存活的?”浙江大学医学部基础医学系教授李继承疑问道。

  “特殊的打印喷头设计和材料固化技术,可以将细胞在打印过程中的成活率提高到90%以上。”徐铭恩表示。喷头温度可从-5℃跨越至260℃。“这可以打印更多种的材料,也可以保证细胞在打印过程中的存活。”徐铭恩进一步解释。

  此外,整个打印过程都是密封无菌的状态。而这,也是德国生物3D打印机所没有的。一旦染菌,打印出来的组织也就成了“废物”,无法使用。

  打印出复杂的细胞甚至器官,是未来的方向

  不过,最关键的,还在于,喷出来的“油墨”。喷墨的质量,直接决定了打印出来的组织是否能用于器官修复及药物实验。

  这款喷墨的材料之一是“水凝胶”,由多种材料经一定比例调制后形成。这种水凝胶,与人体生长环境相似。水凝胶再与提取的细胞混合,就形成最终的生物喷墨。 “需要打印哪款组织,就混合哪种器官上的细胞。”徐铭恩表示。

  一旁盛了酒精的容器里,还放着迷你型的人脸、鼻子和耳朵。“刚打印出来的组织很软,通常需要放入交联剂固化后,再放入培养箱中培养。”杭州电子科技大学生物医学工程研究生赵占盈说。

  培养时,细胞会否自然生长在打印出来的组织支架上呢?徐铭恩带小组成员做过这样一个实验:打印出来的骨支架放入大白鼠体中,2周后,可见肉芽和血管长入支架的大孔内。而这,将可用于临床的骨缺损修复。

  器官组织能够通过这一款生物打印机产生,固然让人眼前一亮。不过,“对于临床医生来说,手术中最缺的是器官来源。我们最期待的,还是能否打印出器官,移植到人身上?”解放军第117医院呼吸内科主任陈清勇说。

  其实,这也是生物3D打印机被期待的一个重要原因。不过,打印出复杂的细胞、甚至器官,还有很长的路要走。

  不仅如此,生物3D打印机还可用于药物开发。

  2010年,美国研究制药工业协会会员公司新药研发投入674亿美元。而辉瑞(全球最大的生物制药公司)光是在创新药品研发上,就共投入94亿美元。一款新药的研发,平均需要8亿美元,费时10年。

  为何费时费钱呢?就因为,实验的介质是动物,与人体差异很大。但是,如果打印出人体的器官组织,就可最直接的进行在其上进行药物筛选。

  此外,还可用于医疗辅具。比如,肝移植手术很复杂,打印一个3D肝器官(非活体),手感与活体的肝脏一样,可用于动刀医生进行模拟手术,制定更有效的手术方案。

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  3D打印技术:以计算机三维设计模型为基础,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。

  生物3D打印(3D-Bioprinting):以计算机三维模型为基础,通过软件分层离散和数控成型的方法,定位装配生物材料或活细胞,制造人工植入支架、组织器官和医疗辅具等生物医学产品的3D打印技术。

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分享到: 作者:   编辑: 谢劼 余爱华   
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