人體器官能夠“打印”？——走進3D生物打印技術

清華孫偉：人體器官能夠“打印”？——走進3D生物打印技術_中科博生

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威爾遜曾預言，未來的人體器官將像汽車零配件一樣，磨損了就送去修理，損壞了則到“修理廠”去更換新件。人體中的絕大部分“零件”都有備件，可供隨時更換。近年來，3D生物打印技術迅速發展，這項在傳統3D打印概念的基礎上加入“細胞”因素的生物打印技術，能夠“製造”出想要的人體細胞、組織甚至人體器官，給世界範圍內需要器官移植的患者帶來了福音。

3D生物打印具有廣闊的臨床應用前景，為更進一步瞭解這項技術、以及其發展現狀及未來前景，我們邀請到了清華大學生物製造、生物3D打印知名專家、同時也是相關課題領頭人——孫偉教授為我們進行簡要的介紹。

什麼是3D生物打印

3D生物打印以細胞和生物材料為基本單元，按仿生形態學、細胞特定微環境等要求用“三維打印”技術手段製造出個性化體外三維生物功能結構體，是工程、材料、信息和生命科學等諸多大學科大交叉誕生的新興學科，為21 世紀再生醫學、先進醫療器械等生物技術產業發展奠定了科學、技術和產業基礎。建立具有自主知識產權的3D生物打印及個性化醫療器械核心技術、推動我國現代醫療產業的發展已成為當務之急。

隨著工程、材料、信息和生命科學等諸多大學科的交叉與融合，3D生物打印技術在個性化複雜結構組織器官的製造方面具有顯著優勢，正成為推動生物材料和生物醫學應用新領域的顛覆性技術和前沿方向。

3D生物打印重要戰略性意義

歐盟委員會在《製造業的未來：2015～2020戰略報告》中提出重點發展生物材料和3D打印技術。美國國家科學基金會和國家健康研究院也開展多個與生物3D打印有關的國家戰略計劃（如美國多部門戰略計劃-組織科學與工程的戰略發展等）。

在中國，中國科學院的“國家材料基因組重大專項”和“國家新材料產業體系重大專項”將3D打印及生物3D打印作為一項突出的創新技術和支持內容專門進行了規劃。而中國工程院《2014中國戰略性新興產業發展報告》中特別提及3D打印技術在航空航天、生物製造領域的先進性和創新性；中國工程院《生物醫藥產業發展戰略研究報告》則將3D生物打印列為生物醫學工程新生的增長點和支撐技術。

2015年，在科技部首先啟動的十三五國家重大科技專項中，生物醫用材料研發與組織器官修復替代、幹細胞及轉化研究、增材製造與激光製造等三個專項，均將都將生物三維打印作為顛覆性技術之一，列入規劃中。

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技術發展的“五大層次

第一個層次，材料不具備生物相容性，不需要植入體內，故無特殊的生物學需求。在此階段，利用3D打印複雜形狀成型的特點，來製造一些個性化結構件，多用於製作醫療模型和體外醫療器械，比如外科手術中設計輔助模型，製作牙科手術導板等；

第二個層次，使用的材料具有生物相容性但不可降解，在該階段，生物3D打印件開始植入身體，起到永久支撐作用，如人工關節植入體。假耳移植物也是在該層次得到應用，對於小耳畸形的患者，利用健康一側的耳朵的CT數據，利用計算機輔助設計鏡像重構另一側耳朵的模型，之後調節打印工藝和材料參數製造移植物。顱骨修復、股關節修復也利用到類似技術；

第三個層次，材料具備生物相容性同時具有生物可降解性。此類材料多通過3D打印技術製成組織工程支架，形成高孔隙率結構，將支架填充至損傷部位，材料慢慢被人體降解、吸收，自身組織不斷修復生長，最後支架結構讓位給細胞和組織，以此修復受損的人體組織；

第四個層次，將體內提取的多孔組織工程支架上培養，有利於細胞長入、營養物質的傳輸，同時，可以實現體外三維培養，利於構建體外仿生三維結構生物體。活細胞、蛋白以及其他細胞外基質與組織工程支架體外共建形成細胞模型、疾病模型、藥物檢測模型等等；

在第四個層次的基礎上，幹細胞、組織、微器官的引入使3D生物打印的範圍更加廣闊，第五個層次體外生命系統、微生理組織、生命機械等研究更加深入，細胞機器人、器官芯片、類人芯片使得我們離人造器官更近一步。

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中心的成就和發展

清華大學生物製造中心圍繞3D生物打印在製造科學、材料科學、信息科學等與生命科學的大交叉大前沿，力圖在仿生生命體構建、組織工程與再生醫學、體外生命系統製造等領域取得重大科研突破，建立世界一流、具有國際影響力的跨學科研究、教育、人才培養和技術推廣的生物製造研究中心，探索並開拓現代工程和製造科學在生物、生物工程及生物醫學中的應用新領域，並促進生物製造新興學科的發展。

中心主要研究內容包含如下四個大的方向：

（1）細胞3D打印及在組織工程與再生醫學領域的應用。主要包括圍繞細胞3D打印所面臨的材料學、生物學、製造學等諸多挑戰，研發新型生物墨水、細胞3D打印工藝和設備，特別是研發胚胎幹細胞、全能幹細胞的3D打印技術，並構建包括心肌/心臟、肝臟、胰腺、子宮、肺等大型功能性組織及器官，探索生物製造在生物醫療、精準醫學相關領域的臨床前應用。

（2）基於細胞3D打印的病理模型製造及在病理學及癌症治療領域的應用。本部分內容聚焦於癌症的病理、藥理研究，開發精確仿生的三維體外模型，並用來研究組織再生或腫瘤的生物學特徵及其發生、發展機理，為組織工程臨床應用、病理學研究、以及腫瘤診療提供新的手段。

（3）體外微生理系統的生物3D打印及在新藥研發方面的應用。本研究方向重在研究集成的細胞三維打印技術與微流控技術，從單個組織器官芯片的設計研究，到構建更為仿生的三維微生理系統。在未來，有可能通過高通量細胞芯片、器官芯片、類人芯片等的設計製造，為病理學和藥物研發帶來技術革命。

（4）生命機械以及在信號傳遞、疾病治療中的應用。本方向提出基於三維打印、微製造等先進製造技術，探索可控運動的細胞機器人、多細胞生命機械的設計製造基礎原理及關鍵技術。本課題的研究將為今後多功能系統化細胞機器人的研製打下基礎，有可能為信號傳遞、生物治療、細胞/組織芯片等研究提供新的手段。

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未來的發展前景

未來，3D生物打印技術有望更加充分地發揮其在構建高精度複雜三維模型上的優勢，成為個性化植入及介入器械製造、組織工程和體外仿生組織模型構建等諸多領域的關鍵核心技術，並向著可打印組織個性化，可打印生物墨水多樣化，建模與打印軟件智能化，打印設備集成化的方向不斷髮展。

通過3D生物打印技術與醫療技術的深度結合，未來有望逐步發展成為成熟人工組織器官體外製造技術，從而實現在體外或體內直接打印活體器官組織，替換失去功能的器官或組織，這將使得目前臨床移植供體不足等問題在一定程度上得到解決。

根據美國市場研究公司Grand View Research預計，到2022年，全球生物3D打印市場規模將達到18.2億美元，而以3D生物打印技術為基礎的個性化植入及介入醫療器械、個性化活體組織器官等產品不但將具有千億的市場空間，而且將為病損組織器官功能重建提供臨床治療新策略，給患者和整個社會帶來福音。

孫偉，清華大學機械工程系“千人計劃”國家特聘教授；美國Drexel 大學機械工程與力學系Albert Soffa Chair Professor（講席教授）; 現任清華大學機械系生物製造工程中心主任; 清華-伯克利深圳聯合學院轉化醫學大分子平臺及生物製造實驗室主任；北京市生物製造及快速成形重點實驗室主任; 深圳市生物製造工程實驗室主任。研究領域包括三維生物打印，生物製造，組織工程，生物工程， 增材製造，先進製造等。

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