清华大学生物制造中心主任孙伟：3D生物打印及产业化发展趋势

清华大学生物制造中心主任孙伟：《3D生物打印及产业化发展趋势》主题演讲。

    孙伟：3D打印大家都知道，计算机模型，通过打印装备。
   
这是一个咖啡杯，我们不用3D打印机打印咖啡杯，因为它太简单了，我们是打印用常规方式不能做的。3D打印有三个特色，创新、个性化、快速，正因为这个特色，它在医疗界找到了特别好的应用，因此形成了新的学科，叫生物3D打印。也就是我们用的材料不一样，不是打印发动机，不是用金属，其实也可以用金属，是打印关节，我们用的是生物3D打印材料，尤其是我们用细胞、生物单元，比如用蛋白质等等，我们用三维打印的方式在体外构建生物体。

这里有一个动画，是我们通过不同的喷头把红色的、绿色的和生物材料用喷头打印，构成空间的网格结构，这是模拟体内的环境。这样生物影响因子把红的内壁细胞排列，对工程师来说，这是细胞组装，构建了一个三维的高级的生物学模型。但是对于再生医学的科学家来讲，我们构建的是一个血管再造模型。也是我们可以按照干细胞生物材料通过打印的方式来构建这样的生物模型，用这些模型做组织工程产品，用这些模型做药物检测、疾病研究等等。
   
为什么通过3D打印构建这种三维的模型呢？第一，人的细胞是在三维环境下生长的，所以在三维环境下我们还原细胞在体内的三维环境。比如我们合作研究怎么把子宫癌细胞3D打印体外模型，看它在培养盘里面有什么样的现象。可以看到，不光细胞形态学不一样，最关键抗药性不一样，在癌症研究来说，很多二维癌症研发药就不起作用了。另外在三维细胞模型，在生物学应用是一个革命性的趋势。为什么生物学家不用这些模型呢？因为他没有制造手段，还是基于二维培养盘。我们团队的工作，也是希望怎么建立三维的细胞模型，生物学模型，能够帮助这些生物学家更好的研究生物学。南极熊3D打印网编辑发布。

   

如果回头看，生物3D打印整个技术发展可以按照生物材料生物学性能分成四个阶段：第一阶段是医疗模型，做手术导板等等。第二是做永久植入，比如钛合金打印等等，做假肢或者关节，所以用可以降解、可以吸收的，必须与生物相容的，用它做复杂的工程支架，可以让细胞更好的再生组织。第四个层次，我们直接把活体细胞蛋白和基于生物活性的东西，把它作为一个基本单元，用3D打印构建一个生物体外的模型。

   

在第一层到第三层主要是技术应用，前面已经谈了很多了，像关节、植入等等，像利用SLA和激光烧结打印各种组织支架等等。清华大学也有非常好的特定技术，就是低温沉积，在生物材料在零下30度温度下打印，最后可以形成大孔、小孔，大孔可以做细胞的粘附，小孔提供营养，我们做了一系列的动物实验。但是在第四个层次上，我们把细胞作为单元来作为生物3D打印，在这个层次上主要是侧重在体外仿真生物结构体的制造，在这个层次上它的发展就使得传统上我们只注重结构和形状的制造，比如第一到第三层次，延拓到构建体外细胞结构体和生物装置，并应用于再生医学、病理学等等。

   

比如，我们可以把癌症细胞进行打印，比如免疫癌症治疗里面T细胞、D细胞，它们进行组合以后受到癌症细胞的感染，T细胞被D细胞激活，然后去攻击癌症细胞。这里面我们用单细胞打印技术来构建，T细胞和D细胞之间进行运动传递。构建这样一个细胞模型需要独特的技术，需要单细胞打印技术，因为必须要在20微米的环境内，我们因为这个细胞去研究什么样的环境可以激发它产生免疫效应，这样给作为疾病或者药物研究提供一种参考的依据。

   

另外我们跟陈院士合作，构建体外癌症发展的不同阶段的模型。比如陈院士提出，当有一个癌细胞形成作用之后癌细胞怎么产生变化，当有许多的癌症细胞，当完全的癌细胞组合，它们之间怎么样？我们用3D打印方式构建了单个细胞和正常细胞的组合，同时构建多癌细胞组合，就是体外的癌症的生长模型，让这些癌症学家更好研究癌症和药物。体外的肿瘤模型3D打印，通过生物材料整合让它长成体外模型，并且来看两维和三维结果不一样，比如基因上调和基因下调大量的不一样。

   

第二是微器官芯片构建。我们希望通过微型器官去检测药物的作用，为什么要构建微型器官？一般药物检测都是用动物模型，动物模型和人的免疫系统不一样，另外更多是用两维培养盘模型，两维培养盘模型就是我前面谈到的，它的细胞在体内和体外不同，体内是三维的，所以二维细胞往往也不合适，利用这种结果做出来的药物毒性的检测往往不准确，也就造成了研发新药90%动物实验通过，但是临床通不过，而且即使过了培养盘检测，但是在临床还是不行。
   
在这个题目里面，我们做了怎么构建三维的微型肝脏，这个微型肝脏不是具有真正肝脏全部的功能，它是具备肝脏新陈代谢的功能，在体外构建类似于内组织，让药物在身体里面流动，通过内皮细胞深入到细胞当中去。这个作用的目的，因为宇航员上天之后每天都吃一颗防辐射药，但是在那种极端的状态下通过肝脏新陈代谢出来的药对于第二器官，比如大脑、皮肤、肌肉、骨骼会有影响，所以希望构建这样的微型器官模型。也是通过这个，可以作出大量的应用，因为这些东西没有办法放在动物里面，因为没有办法把动物放在空间站里面去。
   
另外是再生医学模型，打印胚胎干细胞，单个不分化，于是我们用三维打印模式，让它进行成团分化。通过三维动因构建胚胎干分化，有三个特点，第一靠自己生长出来，而不是靠细胞聚集。第二它完全保持内分化状态。第三它可以控制胚胎球的状态。这个工作利用干细胞再分化做下面的东西提供了最好的基础原料。

   

我们团队里面有20多个博士，整个团队里面打印细胞做了十几年，细胞打印我们最关注三个问题：第一能不能打印，第二打印能不能成形，因为不能成形的话，不能形成孔结构没有办法把营养液放进去，打印结构内部细胞会死。第三即使把细胞活着打出来之后，这个细胞能不能具有功能？它必须从癌症细胞变成肿瘤，或者必须从某一个细胞分化成特定的细胞，这是我们一直在做的。这里面牵扯到很多，不光是基础科学，也牵扯到制造学问题，比如能不能打印，如果喷头太小，你打印的墨水太黏，比如牙膏，那细胞打出来全死了，因为黏度太大。如果用粗的喷头，对成形性又有影响。所以要非常注意，首先要选择什么样的喷头、什么样的材料、什么样的粘稠度，使得这个细胞打出来，至少保证90%以上能成活。
   
第二步就是分化，就是成形的问题。成形一般来说都是用交联的方式，这里面四种交联模式中至少用一种。比如第一个我们打印的是癌症细胞，在给一定的参数条件下，能够保证90%的细胞是成活的。但是相同的打印参数，相同的材料，我们能够达到50%的活性，如果把相同的东西再作为胚胎干细胞打印，只能保证14%的活性。所以任何情况下打印细胞，都要仔细去琢磨用什么样的打印参数，而不是把细胞材料组合起来去打印。所以第一个要调控参数，这里面我们用明胶和海藻酸钠打印，这两种材料组合变成生物墨水的时候，就具有可以随着温度变化的趋势，于是我们可以调控这个温度，使得这个生物墨水在打印的时候延迟性最小。比如打印喷头的时候温度，不同的颜色就表明细胞打印装置有不同的温控区域，对于打印细胞来说，要求的温控、打印工艺等等更加复杂。

清华大学90年代末开始从事生物3D打印研究，现为中国机械工程学会生物制造工程分会挂靠单位，以及中国生物材料学会生物材料先进制造分会挂靠单位。比如我们用低温沉积打印做的骨头支架，我们把软骨和硬骨组合在一起，同时打印出来之后，直接成形，直接硬骨和软骨同时长，最后证明硬骨和软骨可以结合。同时打印血管，通过仿生，通过不一样的打印方式打印血管。以及现在打印可降解的冠状动脉支架。同时在深圳研究生院的通过打印的方式来打印眼角膜。同时做了宫颈切除之后怎么样做修复，使得不仅宫颈能够恢复原来的结构，同时载药模型进一步防止癌症的复发。另外，我们把iPS细胞打印成团，以及进行hiPSC三维模型鉴定。

   

我们希望能够转化成专业化的东西，使得能够作出一些装备、工具，使得这些生物学家们或者医学家们更好的去研究，于是我们建立了上普。创办于2014年，集20年来国际性生物制造和生物3D打印核心技术为基石，从事生物三维打印创新性装备、生物墨水和高级生物3D打印产品研发及在精准医疗、高端医疗机械、体外药物筛选模型、革新华肿瘤治疗和组织工程产品制造中的应用。首先根据我的专利买出来以后，我们自己用这些专利成立了美国的研究院，在14年5月份在北京，与清华团队合作，17年成立了深圳研究室，重点在芯片方面的研发。
   
我们主攻产品是医疗器械个性化需求，药物研发药毒性检测，组织器官芯片以及癌症的个性化治疗，同时多细胞复杂组织构建。因为我们基于是基于多年的科研基础，清华大学生物制造中心、清华大学深圳研究院和我们的研究中心，同时我们和全球的高校以及医院进行合作，主要是分四个方面，第一是装备，因为我们打印了20多年，我们有最好的装备，我们知道什么样的装备能解决什么样的问题，我们能够把这些装备产业化，提供给不同领域。这里面包括低温沉积、细胞3D打印、精准热溶挤压3D打印、定制化与集成功能生物3D打印。我们希望把这些知识转换成产品，来帮助这个领域发展。同时我们想把最好的东西，有价值的，能产业化的，包括心脏支架、个性化肿瘤、药物检测等等。同时我们和协和医院合作，和肿瘤医院合作，把病人组织拿过来，癌症组织拿过来，把里面癌细胞分离出来，通过癌细胞打印成形，一周以后去检测哪种肿瘤药有效。这是为癌症个性化治疗提供的方案。同时建立生物产业和技术服务平台，对于希望用这些模型，但是不具有或者不想买这些装备，或者不具有这方面专业知识的我们来提供，我们提供细胞模型，我们来提供芯片，来进行药检等等方面的服务。
   
这是生物3D打印装备，在国内很多领先的科研单位或者大学、医院、公司也引进来了，同时这些装备在全世界最好的学校都有上普的装备。墨水是基于我们多年的细胞打印专业知识和它的技术来调配，来提供这个领域的服务，同时我们还打印特定的支架。
   
如果回头看整个领域里面，不管是在科研还是产业化技术，生物3D打印就像3D打印一样，生物3D打印也是提供的一个共性技术，但是解决的领域不一样，是为生物学服务的，生物制造不仅仅是制造学从使用单一的结构材料，到使用功能材料，从生物材料到生命材料，它的学科拓展和延伸。同时是工程材料生命及信息医学，这里面为个性化的医疗和离散化服务实现提供了必要的共性技术手段。
   
这是我们制定的规划，也就是09年的时候，大概两到三年植入物、假肢、支架、细胞打印会出现，往下五年会到病、药理模型打印，再过10年功能组织打印，再过15年器官打印。
   
从产业化来说，生物墨水、软件、装备，这是国外权威的报道，比如14年到2030年来说，重点研发下一代生物三维打印机，将提供更多功能。到2030年，市场容量将达到数十亿美元。另外3D打印构建个性化组织工程制品及细胞复杂组织结构具有广阔的市场前景，2020年，市场容量将达到60亿美元。另外，3D生物打印关联产业的带动，会提供大量的技术手段。
   
最后感谢基金委、科技部、教育部等等部门。
   
再次感谢。