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x'x'xx'x'x'xx'x'x'x'x'x12020/12/223D打印在生物中的应用定义技术前景应用发展方向22020/12/223D生物打印技术的定义3D生物打印是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，制造医疗辅具、人工植入支架、组织器官等生物医学产品的3D打印技术，3D生物打印是目前3D打印技术研究最前沿的领域。32020/12/223D生物打印技术的前景2012年，全球3D打印市场规模达28.2亿美元，2010~2012年进入快速发展期，三年复合增速达27%。WohlersAssociates预测，未来几年，该市场仍会保持近20%的增长，到2021年，行业规模或达108亿美元，为目前的5倍。42020/12/223D生物打印技术的前景3D生物打印发展空间巨大源于三方面的原因：全球医疗领域的开支巨大，为3D打印技术提供了潜在的发展空间；现今社会的存在一种健康危机，就是器官短缺。随着医学的不断进步，我们的寿命较以前有了很大的延长。问题是，我们活的越久，我们身体器官就越容易失灵，而当前，我们没有足够的器官来替换。有数据表明，在过去十年里，需要移植器官的病人增加了一倍，但是，器官移植手术并没有增加。52020/12/223D生物打印技术的前景3D打印技术以其快捷、准确性见长，以其个性化制造能力与病体需求的差异性充分结合，在人工假体、人工组织器官的制造方面产生巨大的推动效应；我们知道，“3D打印”是通俗的叫法，学术名称为“快速原型制造”(RapidPrototyping&Manufacturing)。它利用现代计算机技术，采用材料累加新成型原理，直接由CAD等数据打印自称三维实体模型。由于人体器官存在很大的差异性，不适合采用常规的模具来制作人工假肢等器官。这时，3D打印技术就显现出它的个性化能力了，我们只需要改变数据，就可以完成器官的制造。。62020/12/223D生物打印技术的前景相对其他领域来说，3D打印在医疗行业的应用更具有经济性。3D生物打印的器官是用来替换失效的器官的，对此我们毫无选择的余地。特别在现在这种情况下，需要移植器官的病人远远比器官多时，其经济效益更是居高不下。当然，当3D生物打印技术成熟以后，那时我们移植器官的代价应该不会像现在那么高昂。72020/12/223D生物打印技术的应用3D细胞打印主要有三方面的具体应用：作为医学实验的研究工具。细胞打印的产品包括组织和器官两类，细胞准确定位和培养之后，形成的结构具备生物特性，可以作为很好的医学研究工具。构建和修复组织器官。细胞打印成型组织和器官可以根据病体的需要进行器官移植和修复。82020/12/223D生物打印技术的应用现阶段，一些皮肤、脂肪组织可以打印并用于修复。打印移植器官还在研究中，最有希望率先突破的领域可能在人工肝脏方面。做药物研发领域的药物筛选的模型。细胞打印成型组织和器官可以用来进行药物筛选的试验，弥补现阶段蛋白筛选直接到动物体筛选的技术缺失，提高药物筛选的效率和新药的研发速度。92020/12/223D生物打印技术的应用康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授胡迪•利普森在2013年出版的《3D打印：从想象到现实》一书中，提出了一个“3D打印生命阶梯”的概念。胡迪•利普森认为：把身体各部位根据复杂性排列成一个很高的阶梯。无生命的假肢会位于阶梯的底层；中层将是简单的活性组织，如骨与软骨；简单组织之上将会是静脉和皮肤；最靠近阶梯顶层的将是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑；生命阶梯的顶层将是完整的生命单位—也许有一天将会是具备完整功能的人造生命形式。如今，3D打印技术已经实现所构想的阶梯的底层，我们正在探索中间级并梦想着有一天可以到达最高级。•102020/12/223D生物打印技术的应用当前，第一波3D打印身体部位的商用浪潮已经出现，3D打印的假肢、牙冠、隐形眼镜与助听器等无生命修复形式已经存在于世界各地成千上万人的体内。112020/12/223D生物打印技术的应用3D打印牙齿、助听器以及矫正器的过程都很相似：先对身体出现问题的部位进行扫描，再将扫描数据发送到一个特殊实验室，在那里这些数据被调整为可行性设计文件，最后，按照设计文件用软橡胶、坚硬而有光泽的陶瓷或者柔软而有弹性的透明塑料进行3D打印。目前，3D打印身体部位采用单一的材料，如金属、陶瓷或塑料。它们可自定义形状、可小批量生产，这些特征使它们成为3D打印的完美对象。122020/12/223D生物打印技术的应用随着技术的发展，组织工程支架和植入物的3D打印也日趋成熟。首先借助CT、ECT技术获取人体模型器官模型，通过3D技术处理：包括3D模型的建立，然后对不同材料、部位进行建模。最后指导3D打印设备喷射生物相容性材料，形成所需要的结构。3D打印在构建植入物的微观结构方面相对传统工艺有很明显的优势。在美国，仅骨移植修复材料的市场空间就达200亿美元。此外，一些血管支架等领域的应用也在逐渐发展。世界上首例由3D打印技术制作的人工下颌骨移植手术于2011年6月在荷兰进行，接受移植的病人是名患有骨髓炎的83岁女性。术后她的恢复状况良好，新的下颌骨并未影响她的语言表达和进食能力。132020/12/223D生物打印技术的应用142020/12/223D生物打印技术的应用2013年上半年，普林斯顿大学的研究人员成功的打印出具有功能性的仿生耳朵，造价1000美元（约合人民币6000元）。研究人员表示，他们所创造出的仿生学耳朵在能力上要远远超过正常人的听觉，甚至可以听到无线电的频率，因为这个耳朵的组织是与电子技术结合在培养皿中生长。科学家们选择的打印材料为水凝胶，接着用3D打印机打印出仿生耳朵，然后将从小牛身上获取的细胞注入水凝胶中，接着加入一种含有纳米银粒子的聚合物，这种聚合物可以传播无线射频信号。最后将小牛细胞成长为软骨组织，并围绕一个线圈天线变硬。这样，一个仿生学耳朵就诞生了。152020/12/223D生物打印技术的应用162020/12/223D生物打印技术的应用器官短缺已经成为一个全球性的难题。长久以来，医疗行业投入了大量的资源进行研究以期解决移植器官不足的难题。而近期3D打印肝脏、3D打印肾脏等医疗领域取得的突破，正让整个医疗行业兴奋不已。生物器官的打印材料是组成器官的细胞，从打印头里出来的不是无生命的物质，而是活细胞。3D细胞打印是利用一层层的生物构造块，去制造真正的活体组织。这种3D生物打印机有两个打印头，一个放置最多达8万个人体细胞，被称为“生物墨”；另一个可打印“生物纸”。所谓生物纸的主要成分是水凝胶，可用作细胞生长的支架。这种机器首先“打印”器官或动脉的3D模型，接着将一层细胞置于另一层细胞之上。打印完一圈“生物墨”细胞以后，接着打印一张“生物纸”凝胶。172020/12/223D生物打印技术的应用不断重复这一过程，直至打印完成新器官。随后，自然生成的细胞开始重新组织、熔合，形成新的血管。每个血管大约需要一小时形成，而熔合在一起需要数天时间。182020/12/223D生物打印技术的应用3D打印再造人体器官的基本“生物墨”——人体细胞制备的理论近年也有重大突破。2012年英国科学家约翰•戈登和日本科学家山中伸弥获得诺贝尔生理和医学奖揭，获奖理由为“发现成熟细胞可被重编程变为多能性”。2014年1月30日，Nature杂志披露日本理化研究所小保方晴子团队将细胞暴露于弱酸性环境中，即可将其转化为干细胞。平均有25%的细胞在酸性条件下存活，而其中的30%则转化为多能细胞——较之前山中伸弥仅1%的转化率高出许多。随着干细胞诱导分化成特定功能细胞（例如肝细胞、胰岛细胞等）技术的逐渐完善，3D打印再造人体器官的基本“生物墨”距离最终解决并不遥远。192020/12/223D生物打印技术的应用202020/12/223D生物打印技术的应用现阶段，一些皮肤、脂肪组织可以打印并用于修复。打印移植器官还在研究中，最有希望率先突破的领域可能在人工肝脏方面。目前，3D细胞打印还处于实验室阶段，距离商用还有很长的路要走。而且面临着形成组织的强度不够、培育组织的存活问题以及缺乏电脑化的工具等一系列难题。当前，3D生物打印领域的先驱是美国的Organovo公司。Organovo公司成立7年来，在3D生物打印领域取得了一系列引人瞩目的突破，包括：打印第一个全细胞工程人体动脉；使用来自脂肪组织的干细胞制造动脉；首次将生物打印的组织植入活体（动物）体内；3D打印具有全部生物活性和功能的人体肝脏组织并保存了40天。212020/12/223D生物打印技术的应用在Organovo公司打印3D迷你肝脏的过程中，3D打印机逐层打印肝脏细胞和血管内壁细胞，一共打印了大约20层。血管内壁细胞负责为肝细胞提供营养和氧。他们打印的迷你肝脏能够产生清蛋白、胆固醇和解毒酶——细胞色素P450，代谢肝脏内的药物。迷你肝脏结合了肝实质细胞和星状细胞层，所拥有的结构和功能对医学研究具有重要意义。迷你肝脏可以被疾病侵袭，允许研究人员观察整个病变过程，也可以施以药物，用以了解药物疗效。222020/12/223D生物打印技术的应用232020/12/223D生物打印技术的应用Organovo公司的科学家利用3D打印机打印出迷你肝脏，深0.5毫米，宽4毫米，拥有很多与真正肝脏一样的功能242020/12/223D生物打印技术的应用心脏的3D生物打印也取得了很大的进展，它首先培育心脏的活细胞，然后通过打印头按照设计好的模型逐层打印。虽然打印出来的心脏只具备一部分心脏的功能，但对我们来说是一个很大的进步。在网易公开课中，有一个名叫“如何'打印'出人类的肾脏”的演讲，是外科医生安东尼·阿特拉展示如何用三维细胞打印机打印出人类肾脏的视频。由于视频较长，有兴趣的同学可以自己上网搜索。下面是视频的一个截屏：252020/12/223D生物打印技术的应用262020/12/223D生物打印技术的发展现今，3D打印还处于初级阶段，应用最多的是各种假肢，人工组织等简单的器官。复杂多变，功能多样的器官如肾、肝和心脏还处于研究阶段。我们相信，随着医疗设备的发展，医学的进步，我们可以像《3D打印：从想象到现实》描述那样，沿着“3D打印生命阶梯”，从打印无生命的假肢会位于阶梯的底层，到简单的活性组织，如骨与软骨中层，再到简单组织之上的静脉和皮肤，阶梯顶层的将是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑，而生命阶梯的顶层将是完整的生命单位—也许有一天将会是具备完整功能的人造生命形式。27谢谢大家！28