英国Nexus项目：3D打印技术让一次性生物反应器更环保

导语：近年来，生物制药行业对一次性生物反应器（SUT）的需求不断增长。这些设备因其安装便捷、灵活性高以及避免交叉污染的优势，广泛应用于药物研发和生产中。但是，SUT的大量使用也引发了对环境可持续性的担忧。



2025年4月，南极熊获悉，为了解决这一问题，英国启动了一项名为“Nexus”的创新项目，通过结合3D打印技术和新型生物基材料，重新设计生物反应器的制造和使用方式，以减少浪费并推动绿色转型。

传统生物反应器的挑战：便利性与可持续性的矛盾
传统的生物反应器主要分为两类：大型永久性不锈钢系统和小型一次性塑料装置。前者用于大规模药物生产，后者则在研究实验室和早期生产中使用。SUT容量从几升到几百升不等，具有安装快、无需复杂灭菌程序的特点，能够有效测试不同的药物配方且不会造成交叉污染。但是，这些设备通常在使用后被直接丢弃，增加了塑料垃圾的产生量。


△左图：大型生物反应器。右图：一次性生物反应器

虽然SUT仅占全球塑料垃圾的一小部分（约0.002%），但其快速增长的趋势令人担忧。特别是在新冠疫情期间，这类设备在疫苗生产中发挥了关键作用。例如，辉瑞-BioNTech和Moderna利用SUT制造携带mRNA的脂质纳米颗粒，强生公司用SUT培养生产疫苗所需的细胞。尽管这些技术帮助企业快速扩大了生产规模，但随之而来的废弃物问题也愈发凸显。

Nexus 项目：3D 打印与可持续材料的结合
Nexus 项目由英国政府支持的技术机构 Innovate UK 提供 190 万英镑（约合 250 万美元）的资金，汇集了研究人员和多家企业，旨在打造更环保、可重复使用的一次性生物处理设备。项目的核心目标是通过引入 3D 打印技术和新型生物基材料，解决一次性生物反应器带来的环境问题。


△3D打印介质接触装置的CAD渲染图，用于通过光谱法持续监测生物反应器内的介质。

为何选择 3D 打印？
3D 打印技术为生物反应器的制造带来了显著优势：

●无需传统模具或工具即可定制高度复杂的部件，例如用于监测细胞培养的介质接触装置。这些部件必须具备化学稳定性、耐高温性能以及与活细胞的兼容性。

●通过 3D 打印，设计师可以灵活调整形状，同时减少对大型生产线的需求，从而降低浪费。

●3D 打印还支持“按需生产”，即只制造所需的部件数量，避免过度生产导致的资源浪费。

Nexus 项目计划将3D打印与新型生物基热固性树脂结合，使部分部件可以通过高温灭菌清洁后重复使用。这种设计既保留了一次性系统的便利性，又大幅减少了废弃物的产生。

新树脂，新可能性
Photocentric 是一家知名的树脂基 3D 打印机制造商，其最新工业级打印机 JENI 将在 Nexus 项目中发挥重要作用。JENI 具备高速、大批量生产的特性，非常适合制造下一代生物反应器部件。

同时研究人员正在开发一种新型可持续的生物基热固性树脂。这种树脂不仅能够打印成型并硬化，还具有坚固、稳定和可重复使用的特性。尽管热固性树脂通常难以回收，但团队希望通过优化配方，使其足够耐用以承受高压灭菌器的高温消毒过程。

CPI 配方总监 Tony Jackson 表示：“我们专注于循环利用和报废解决方案，确保该项目不仅能提升技术能力，还能推动实现净零目标的重大进展。”


△Photocentric 的 JENI打印机

系统化方法：从材料到再利用的全链条创新
Nexus 项目采用全系统方法，与许多仅关注单一组件的研究不同，Nexus全面考虑了从材料选择、制造工艺到再利用和报废处理的所有环节：
●Sartorius公司为项目提供了生物制药设备制造的专业知识；
●CPI 和伦敦帝国理工学院负责材料与工艺创新；
●谢菲尔德大学先进制造研究中心（AMRC）则贡献了可持续性设计方面的专长；
●Photocentric 则专注于 3D 打印技术的应用。

Sartorius公司的Jeremy Pullin表示：“Nexus 项目的核心目标解锁了当前应用的可能性，同时通过开发可持续的材料配方履行环保义务。”

实际测试与未来展望
Nexus 项目开发的组件将在现实环境中接受测试。初步阶段将在药物研究实验室和小规模生产设施（如即时医疗机构）中进行评估。然后，团队希望将这些技术推广到工业生物技术领域，包括绿色化学品的生产。项目预计在未来两年内取得重要进展。研究人员将评估 3D 打印部件的实际性能，包括消毒和重复使用频率、经济成本以及环境效益。最终目标是确保新工具在理论上更加环保的同时，在实际应用中是实现真正的可持续。

南极熊点评
Nexus 项目展示了 3D 打印和可持续材料在生物制药领域的巨大潜力。通过重新设计一次性生物反应器，该项目不仅有助于减少塑料垃圾，还为行业的绿色转型提供了新思路。随着技术的成熟和推广，Nexus 或将成为生物制药行业迈向可持续发展的重要里程碑。