2016年生物3D打印八大重要成果

多年来，生物医疗3D打印技术一直处在整个3D打印产业中最“高端”的位置，被称为是3D打印产业高塔上的“明珠”。而该领域的发展，无一不涉及到我们未来生活的方方面面。如今，在世界各地的科学家和行业机构的持续努力下，生物3D打印技术也不断创造出新的成果！
1. 欧莱雅使用3D打印的人造皮肤来测试化妆品

　　将此项技术投入商用是令不少观察者惊讶的，不过这个新闻起码让动物保护者们又松了一口气。这是一次化妆品公司和硅谷的合作。欧莱雅美国和生物3D打印公司 Organovo最近宣布，他们共同研发出了非常接近真实人体的皮肤组织，而欧莱雅要用它们来测试产品。 Organovo的技术主要是先建立特定组织的设计架构，然后再用“生物墨水”，其实也就是细胞来打印组织，这项技术还允许组织垂直打印并形成分层。

　　在和Organovo合作之前，欧莱雅其实已经有使用体外皮肤组织的业务了，但它依然选择尝试更新、更有效的技术，而且新技术还有可能降低生物工程的成本。无论如何，欧莱雅的这项举动倒是会赢得不少动物保护者的好感，据欧莱雅科技孵化器全球副总裁 Guive Balooch对《女装日报》表示：“ 很久以前，我们就不用动物做实验了，而是转用很多预测模型或是工程皮肤组织来测试。创意让我们能够测试更多不同的分子以及有毒成分的副作用，以保证安全和疗效。”

　　化妆品测试的问题一度在中国也比较敏感，因为进口化妆品需要进行动物实验。不过欧莱雅称公司已经和中国权威组织展开了合作，以尝试和改变监管框架，让中国在化妆品行业的标准并符合国际要求，能够寻找到代替动物测试的方法。2014年开始，中国已经开始减少动物实验的依赖，国内生产美容产品的公司可以选择不同的测试方法，但进口品牌依然要经过动物实验。3D打印技术也为欧莱雅开拓了更多可能性空间，它可以根据人们的需求定制色彩、形状等不同产品，比如一个顾客就喜欢星巴克绿，那它可以用仿真皮肤看看这个绿色抹在眼皮上到底好不好看。欧莱雅认为，这项新技术如果能够让品牌的更新速度、创新能力和供应链都会得到改善，科技就是未来。不过据Wired称，也有人猜测欧莱雅集团是否在挖掘一个新的市场，可以在烧伤病人等医疗领域有所涉猎。
　　
2. 生物打印笔BioPen问世

　　生物3D打印技术总是能让人拍手叫绝，无论是可以存活几十天的3D打印大脑皮层组织，还是移植到老鼠身上的3D打印卵巢，往往让人感觉不可思议。近日，澳大利亚伍伦贡大学的研究人员们更是开发出了一种生物3D打印笔，简单说就是生物界的3Doodler。这只笔被称为 BioPen（生物笔），它的神奇之处在于，医生可以在手术过程中，直接拿着笔将细胞“画”在患者受损的骨头或者软骨组织上。

　　这一切究竟是如何办到的呢？据了解，BioPen内部装着含有干细胞的生物墨水，它们被裹在生物聚合物中，如褐藻胶（一种海藻提取物），外部再由一层水凝胶保护着。这些墨水可以直接挤压在骨头上，再通过笔身的UV灯凝固，之后这些干细胞便会在人体内繁殖，与神经，肌肉，骨细胞分隔开来，最终形成组织。从某种程度上来说，该项研究对于修复软骨组织手术有着变革性影响，软骨组织损伤后，往往很难确定究竟要植入何种形状的人工软骨，而如今只需用BioPen将受损部位填满，软骨组织便可自行恢复。

　　此外，该项解决方案还可以更进一步地做成定制化模式，加上特定的药物，促进康复和再生长速度。据了解，目前BioPen的原型是用医疗级塑料和钛金属3D打印而成的，重量很轻且利于消毒。迄今为止从3D打印笔BioPen挤出的细胞存活率在97%以上，后期完整的研究报告将发表在 Biofabrication（生物制造）学术期刊上。

3. 苏黎世联邦理工学院成功打印人体器官

　　由世界著名理工大学苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)研发的最新3D生物打印技术来帮助病人把外科移植手术的负面影响降到最低。主要是通过来自病人自身的细胞组织进行培养并3D打印。Marcy Zenobi-Wong教授和她的团队利用该校健康科学与技术系的软骨组织工程和再生组织实验室的3D生物打印技术，并通过生物聚合物和软骨细胞打造了一只耳朵和鼻子。该打印机拥有一个支持8根注射器的转轮，每根注射器都会装有相应的生物材料。工作人员通过计算机控制打印机，并根据系统操作在机床上一层层打印出一个软骨鼻子，这大概需要16分钟。
　　而打印的材料首先在病人身上，比如膝盖或者手指获取活体组织细胞，然后经过实验室的培养繁殖，这个过程中会添加一些生物高聚物，最后把这些材料放置到打印机的注射器中进行假体打印。实际上，在人体中移植这些假体后，人类的细胞组织会“吞噬”它，只会呈现出正常的轮廓。在几个月之后，无法区别植入与正常。需要提醒的是，在3D打印的假肢与身体吻合的地方会留下一些疤痕，因为需要做缝合。
　　3D生物打印的好处不言而喻，比如在移植之后不会有免疫排斥现象，毕竟都是来自本体的血肉。而且这个假体不像现在的金属植入，它会与本体融合在一起。这种移植手术对有缺陷的儿童来说特别有利。Zenobi-Wong教授和她的团队认为，细胞组织需要“对称”，想要打印某一器官，则应该从具有相同的功能的自体组织中提取打印材料。比如，你需要打印耳朵，应该通过软骨组织或者另外一直耳朵中提取原料。

4.生物3D打印厚实血管组织问世

　　日前，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）与哈佛Wyss生物工程研究所组成的一个科学家团队已经发明了一种方法，可以用人类干细胞、细胞外基质和内衬血管内皮细胞的循环通道3D打印出厚实的血管化组织构造。最终形成的包含在深层组织内的血管网络能够使液体、营养物质和细胞生长因子均匀地灌注于整个组织。这项重大突破已经于2016年3月7日发表在了《 Proceedings of the National Academy of Sciences》杂志上。
　　到目前为止，科学家们在使用各种细胞类型构建更大的人体组织的道路上遇到的最大障碍是缺少可靠的方法将能够维持生命的血管网络嵌入组织内部。这也是Lewis及其团队此次研究成果的重大意义所在。据了解，在其之前工作的基础上，Lewis她的团队将可3D打印的组织厚度增加了近10倍，从而为下一步的组织工程与修复开辟了广阔的道路。该方法将血管管路与活细胞和细胞外基质结合起来，使该结构能够像活体组织那样发挥作用。在研究中，Lewis及其研究团队证明，他们3D生物打印的组织可以维持像活组织结构那样的功能超过六个星期！

　　在研究中，Lewis的团队展示了他们3D打印足有一厘米厚的组织的过程，该组织包含了人骨髓干细胞，这些干细胞被结缔组织包围着。为了展示该组织的功能，科学家们通过支持的血管系统注入了抽骨生长因子，然后在一个月内诱导干细胞发展为骨细胞。值得一提的是该血管系统内部拥有与真正的血管同样的内皮细胞。据了解，Lewis教授全新的3D生物打印方法主要使用一种可自定义的3D打印硅胶模具来容纳和扶持打印的组织结构。在这种模具里，研究人员首先打印出血管管路网格，然后再在上面打印含有活体干细胞的油墨。需要指出的是，这些油墨是可以自我支撑的，其强度足以在该结构尺寸随着逐层沉积而不断增长的过程中保持形状。在这个基础性血管网格内部的交叉路口，研究人员会打印血管立柱，这些血管网格相互连接，就在整个干细胞堆积的组织内部形成了一个无所不在的微血管网络。在打印之后，一种由成纤维细胞和细胞外基质组成的液体会填进3D打印组织周围的开放区域，交联其整个结构。

　　最终产生的软组织充满了血管，然后研究人员通过该硅胶模具两端的出入口可以向该组织灌注营养物质，以保证细胞存活。而无所不在的血管系统则通过将细胞生长因子运送至整个组织的所有地方来促进干细胞的分化。研究人员们称，如果要实现各种形状、厚度和成分的组织，可以通过设计3D打印硅胶模具的形状以及调制拥有不同细胞类型的细胞油墨来实现。

5. 科学家将3D打印卵巢植入小鼠并使其成功受孕

　　日前，美国西北大学的科学家们使用一台3D打印机制造了一个人造卵巢，并将其植入一个原有卵巢已经被切除的小鼠，该小鼠后来成功受孕。科学家们在2016年4月2日举办的内分泌学年会ENDO 2016上公布了此项研究成果。研究人员们希望能够利用该技术开发一个卵巢生物假体，并将其植入女性体内以恢复其生育能力。据了解，这项技术有可能会使那些在童年时期罹患癌症，并最终幸存下来的人受益，因为数据统计，这些人在长大后不孕的风险增加了。据估计每250个成年人中，就有一位是童年癌症的幸存者。
　　研究人员们使用3D打印机打印出了一个生物支架来支持产生激素的细胞和成熟的卵细胞（即卵母细胞）。这种生物支架是用明胶（一种来源于动物胶原蛋白的生物材料）支撑的。科学家们在在制造该支架时采用了生物学原理，该支架既要有足够的刚性以便于在手术过程中的操作，又要为提供足够的空间支持卵母细胞生长、血管形成和排卵。在使用人体细胞培养时，研究人员们确定了最佳的支架设计应该纵横交错，这样可以通过多点固定住细胞。该支架是用卵泡借种以生成生物假体的，所谓的卵泡是一个球形的组织，中间是卵母细胞，周围围着生成激素的细胞。

　　为了测试该植入物，研究人员移除了实验小鼠的卵巢，并用卵巢生物假体取而代之。在此之后，小鼠排卵，生下健康的幼崽，并且能够养护幼崽。除此之外，被植入卵巢生物假体的小鼠也恢复了发情，或雌性激素周期。为此研究人员提出一个理论，认为类似的植入物可以帮助那些天生或者由于疾病治疗造成的卵巢功能缺陷的女性维持激素循环。这些女性往往会经历生殖激素的制造减少，从而导致青春期出现问题，以及以后的骨骼和血管健康问题。科学家们称，植入的支架结构支撑了小鼠体内血管的生长，他们没有使用任何物质以刺激该过程。利用一种灵感来自于人类生物学的制造技术，研究人员开发出了一种可以与人体组织相互作用的支架。这一技术有可能在未来更加复杂的软组织替换中发挥作用，Laronda说。

6.科学家开发出能替代软骨的可3D打印生物玻璃

　　日前，英国科学家开发出了一种材料，这种材料可以模仿软骨并有可能刺激它重新生长。软骨是位于关节和脊椎之间的一种柔软的缔结组织，这种组织受到损伤之后很难修复。来自伦敦帝国学院（Imperial College London）和Milano-Bicocca大学的研究人员们已经开发出一种生物玻璃材料可以模拟真正软骨组织的减震和承重性。它可以通过特定的配方来表现出不同的特性。科学家们希望能够用它来开发植入物以取代椎骨之间受损的软骨盘。

　 　

研究人员还通过让生物玻璃制品在办公桌上弹跳展示了其减震特性，这种特性类似于软骨缓冲我们的骨头的方式。科学家们相信，它也有可能刺激膝盖的软骨细胞生长，这在以前是不可能通过传统的方式实现的。据了解，生物玻璃是由硅和一种叫做聚己内酯的聚合物组成的。它能够表现出类似软骨的属性，包括柔软、强韧、耐久而具弹性。它可以通过一种可生物降解的墨水形式生成，使得研究人员可以将其3D打印成某种特定的结构以促进软骨细胞在关节内的形成和生长——类似于它们在试管中所表现出的那样。

　　另外，当受到损伤时，它还显示出自愈的特性，这一特性使其很适合用作可靠的植入物，而且当它以墨水的形式存在时更容易3D打印。而且，研究团队已经开发出了一种配方，可以为那些椎间盘受损的患者提供一种替代的治疗方案。当脊柱的软骨退化时，会给患者造成很大的痛苦，当前比较常见的治疗方案是融合椎骨，但是这种方法影响到了病人的活动能力。科学家们相信，他们能够开发出合成的生物玻璃软骨椎间盘植入物，其具有与真正软骨相同的力学性能。
　　研究团队还开发出了另外一种配方，以改善膝盖软骨受损患者的治疗。当前，外科医生能够做到的只是创建一种疤痕样组织来修复受损的软骨，但是大多数患者最终还是要接受关节置换，从而降低了其活动能力。研究人员的目标是使用其生物玻璃“墨水”3D打印出微小的可生物降解支架。这些可生物降解支架将提供一个复制膝关节真正软骨结构的模板。当这种支架被植入后，生物玻璃的结构、刚度、化学特性会刺激软骨细胞通过细微的孔隙生长。科学家们的设想是，随着时间的推移，支架会在人体内安全降解，在原有的位置留下新的软骨，这种软骨具有类似原始软骨的机械性能。
　　目前，该研究团队已经获得了来自英国工程和物理科学研究理事会的资助以帮助他们将研究推进到下一阶段。未来他们将在实验室里对该技术进行一系列测试，并开发出一种手术方法来植入该植入物。他们还将与一些企业伙伴一起开发针对这种材料的3D打印技术。不过这项技术的两个应用（即膝关节和椎间盘）在到达临床应用之前仍然有大量的监管障碍需要克服。研究团队预计这两种技术要真正进入市场估计还需十年时间。他们已经与Imperial Innovations共同申请了专利，后者是伦敦帝国学院的技术商业化合作伙伴。

7.新加坡开发释放速率可控的3D打印药片

　　2015年，美国制药公司Aprecia采用独特的层压技术ZipDose开发出了全球首款3D打印药物，用来治疗癫痫的药片Spritam，从而开启了制药业的新篇章。该药物现已通过了FDA认证在美国正式开售了。现在，新加坡国立大学（NUS）的科学家们在这方面取得了更大的突破—他们同样3D打印出了剂量可控的药片，不过释放速率也可控。比起传统的批量生产药片，这种药片在针对不同患者时能发挥更好的疗效。
　　这的确可以说是一项了不起的成就，因为当前的普通药片释放速率都是不可控的，只能维持在一个恒定值，所以患者就必需将一片药分成几片分次服用。这不但不方便，还会给药效跟踪带来困难，尤其是对于同时服用多种药物的情况来说。另外，不同的临床诊断对药物释放速率的要求也不同，而对于患者来说，通常只有一小段的速率是合适的。不过现在，这些问题都被NUS的这种3D打印药片解决了。据了解，NUS的药片之所以释放速率可控是应为他们给药物披上了一种由表面腐蚀聚合物构成的外壳。这种外壳可以通过3D打印技术做成各种形状，而这些形状能够决定释放速率，正是关键所在。理论上，这种方法可以实现任意的释放速率。

　　另外，与传统方法相比，这种新技术还有许多其它优点，比如因为使用价格仅2千美元（约合1.3万人民币）的3D打印机就能做到，所以成本更低，实现更容易，速度也更快。还有就是它在操作上也十分简单，只需使用专门的软件，通过几个简单步骤就能生成可3D打印的药片模板。项目负责人Soh Siow Ling教授表示，这将会彻底改变当前的制药业，因为长久以来，药物定制化都因为方法复杂和成本高而难以实现，但他们的新方法却没有这些问题。目前，NUS团队正在探索更多的材料组合，希望能进一步优化药物的递送效率。同时，他们也正在寻找合作伙伴，希望能尽快实现这种新技术的商业化。

8.微观生物3D打印领域获新突破

　　英国谢菲尔德大学（University of Sheffield）的科学家们在开发可以在生物环境中安全地使用的蚕丝微型火箭上取得了重大突破。通过使用创新的3D喷墨打印方法，该校的化学和生物工程研究人员在制造微观蚕丝游泳装置方面向前迈出了一大步。据了解，这种蚕丝装置可降解，而且对其所处的生物环境完全无害。这意味着，这些装置将来可能在被用于人体内部的一些应用当中，比如传递药物和定位癌细胞等。
　　而且，这一新技术使得研究人员可以使用安全、无毒的材料，即意味着该微型火箭不会对任何活组织或生物环境造成伤害或损害。这是一项重大突破，因为在此之前，这样的装置往往成本高昂，而且制造起来非常复杂，它们往往是用聚苯乙烯微球、纳米碳管或金属制成，其表面还必须覆盖一层催化剂层（例如铂），以便于能够成功地游动，但是这些装置往往对它们所处的生物环境并不友好。而谢菲尔德大学的科学家们这次3D打印的蚕丝火箭长度仅有300微米，直径100微米，仅相当于人类的一根头发丝的厚度，有趣的是，这种微型蚕丝火箭能够在其所处的生物液体环境中获得推动其前进的燃料。

　　据了解，科学家们发明了新的反应性喷墨打印方法，使用将溶解的蚕丝与一种酶混合在一起的溶液首次制造出了这些微型火箭。这种方法的关键在于这种溶液，当这种溶液制成后，科学家们只需将其放入一台3D喷墨打印机，像正常的喷墨打印那样，逐层沉积墨水创造出一列火箭。然后，科学家再在打印完成的溶液上打印一层甲醇，后者就会触发反应使前者形成刚性的火箭形状，这种形状会将酶固定在一种蚕丝晶格结构中。最后，这种酶会作为催化剂，与外界的燃料分子进行反应产生泡沫来推动火箭向前。
　　研究人员们称，用酶作催化剂和并用蚕丝3D打印成微型火箭，使他们获得了一种可生物降解、更便宜、制造方法更简单、更安全的装置，为人体微型火箭出现在实验室以外去除了一个主要障碍。

来源：3d打印网
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