生物3D打印技术

生物3D打印技术生命信息与仪器工程学院斯培剑目录contents生物3D打印发展历史生物3D打印原理生物3D打印的应用生物3D打印产业化生物3D打印发展历史3D打印简介生物3D打印简介生物3D打印发展生物3D打印发展历史3D打印简介3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术生物3D打印发展历史3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期3D打印技术发展成熟并被广泛应用。1892年，美国登记了一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术。1860年，法国人FranoisWillème申请到了多照相机实体雕塑（Photosculpture）的专利。1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法。1980年，日本人小玉秀男又提出了光造型法。虽然日本人研究出3D打印的一些方法，但是此后20多年的时间里，把这些科学方法转化为实际用途的都是美国人。最早从事商业性3D打印制造技术的是美国发明家查尔斯·赫尔。1986年，查尔斯离开了原来为之工作的紫外光产品公司，成立一家名为“3D系统”的公司，开始专注发展3D打印技术。这是世界上第一家生产3D打印设备的公司，而它所采用的技术当时被称为“立体光刻”，是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。1988年，查尔斯生产出世界上首台以立体光刻技术为基础的3D打印机SLA-250，体型非常庞大。生物3D打印发展历史生物3D打印简介3D生物打印技术是在3D打印技术的基础上发展而来，其是以用户自由设计或由医学影像重建的计算机三位模型为基础，定位装配生物材料或活细胞，制造生物支架、组织器官和个性化医疗器械等生物医学产品的3D打印技术。他与3D打印技术的最大不同是其可以打印生物材料、甚至是活细胞。可以打印出功能性生物组织，或者生物器官。生物3D打印发展历史生物3D打印发展原理概念•3D生物打印这一技术概念最早是由美国Clemsonuniversity、UniversityofMissouri、DrexelUniversity等大学的教授在2000年左右提出。•2003年MironvV和BolandT在TrendsinBiotechnology杂志系统提出“器官3D打印”这一概念。•2002年左右清华大学颜永年教授率先在国内开展3D生物打印技术研究。生物3D打印发展历史设备制造•2010年Organovo公司推出可以帮助用户制造生物组织用于研究和开发的3D生物打印机。•2013年8月7日Regenovo公司与杭州电子科技大学等高校的科学家合作，成功研制出可同时打印生物材料和活细胞的3D打印机。生物3D打印发展历史商业应用•2014年11月，Organovo推出了其可商用的3D打印人体肝脏组织exVive3DTM，用于临床前药物测试。（YAHOO）•2015年10月10日，Regenovo公司推出第三代生物3D打印工作站。利用这款生物3D打印设备，成功批量“打印”出肝单元用于药物筛选。（新华社、人民日报）生物3D打印原理3D打印的原理3D打印流程主流3D打印技术生物3D打印与3D打印的异同生物3D打印的难点生物3D打印原理3D打印原理3D打印机技术是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。生物3D打印原理平面打印的前提是将需要打印的信息形成打印机可读的文件，或图片或文档或是其他栺式，然后将此文件信息传送到打印机，经打印机解读后在打印纸上以平面形状的斱式将文件内容打印出来。通常来讱，平面上打印出来的仸何形状或符号幵不具备实际的功能，而只作为传递信息用。生物3D打印原理3D打印流程1、获取三维模型数据（标准文件格式STL）:三维软件建模三维扫描仪扫描物体拍摄多角度的照片2、切片处理计算机软件读取STL模型文件，将三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。3、完成打印打印机计算机指定的打印路径，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。生物3D打印原理生物3D打印原理主流3D打印技术序号累积技术基本材料1熔融沉积式(FDM）热塑性塑料，共晶系统金属、可食用材料2电子束自由成形制造(EBF)几乎任何合金3直接金属激光烧结（DMLS）几乎任何合金4电子束熔化成型（EBM）钛合金5选择性激光熔化成型(SLM)钛合金，钴铬合金，不锈钢，铝6选择性热烧结（SHS）热塑性粉末7选择性激光烧结（SLS）热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末8石膏3D打印(PP)石膏9分层实体制造（LOM）纸、金属膜、塑料薄膜10立体平板印刷（SLA）光硬化树脂11数字光处理(DLP)光硬化树脂生物3D打印原理FDM（FusedDepositionModeling）工艺熔融沉积制造生物3D打印原理SLA（StereoLithography）光敏树脂选择性固化生物3D打印原理DLP(DigitalLightProcessing)数字光处理生物3D打印原理SLS（SelectedLaserSintering）粉末材料选择性烧结生物3D打印原理SLM（SelectiveLaserMelting）选择性激光熔融EBM（ElectronBeamMelting）电子束熔融成型生物3D打印原理3DP(Three-DimensionPrinting)立体喷墨打印生物3D打印原理Polyjet3D聚合物喷射技术生物3D打印原理生物3D打印与3D打印的异同生物3D打印技术是基于3D打印技术原理上发展而来的一种新型打印技术。在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。相同点•打印原理•切片方式•控制方式不同点•打印材料•环境要求•应用场合生物3D打印原理生物3D打印打印方式生物3D打印原理使用材料及细胞明胶（Gelatin）藻元酸盐（Alginate）纤维蛋白（Fibrin）胶原（Collagen）琼脂糖（Agarose）聚氨基葡萄糖（Chitosan）丝素蛋白（Slikfibroin）肿瘤细胞（Tumorcell）胚胎干细胞（ESC）脂肪干细胞（ADSC）间充质干细胞（MSC）肝细胞（Hepatocytes）生物墨水生物3D打印原理生物3D打印的难点打印出结构复杂的支架打印过程中细胞的成活率打印后控制的细胞的增值与分化打印支架中细胞的长期存活打印的组织实现组织的功能生物3D打印的应用医疗领域生物研究新药创新生物3D打印的应用医用领域FDMSLADLPPoljet3DPSLMEBM医疗模型塑性材料光敏树脂手术导板塑性材料光敏树脂光敏树脂光敏树脂石膏金属粉末康复器械矫形器塑性材料假肢光敏树脂助听器光敏树脂光敏树脂植入骨架金属、塑料粉末金属、塑料粉末牙科铸造模型光敏树脂光敏树脂牙齿模型光敏树脂牙冠牙桥直接制造生物相容性光敏材料生物相容性光敏材料生物相容性光敏材料金属粉末种植体金属粉末医疗领域分类生物3D打印的应用医疗模型手术模拟器官模型生物3D打印的应用康复器械矫形器假肢助听器生物3D打印的应用手术导板生物3D打印的应用植入骨架基于病人临床影像数据的3D打印头骨生物3D打印的应用植入骨架人工髋关节中的臼杯钛合金胸肋骨生物3D打印的应用牙科3D打印生物3D打印的应用牙齿模型牙齿模型手术导板铸造模型生物3D打印的应用3D打印牙桥3D打印牙冠义齿矫正支架种植体生物3D打印的应用生物研究•生物支架•肝单元•人造皮肤•人造血管生物3D打印的应用生物支架•生物支架定义：是可以为种子细胞提供适合其生长的场所和发挥生物学功能的一种生物学材料，具有能模仿天然组织的构建性。•作为种子细胞的生物学载体，理想的支架需具有良好的生物相容性、生物可降解性和适宜的力学强度等生物生物3D打印的应用肝单元•材料：水凝胶、海藻酸钠•细胞：肝细胞•打印方式：FDM生物3D打印的应用3D打印皮肤生物3D打印的应用3D打印血管生物3D打印的应用组织工程支架生物3D打印的应用新药创新•药物筛选•3D打印药物•器官生物芯片生物3D打印的应用药物筛选Drugmetabolicgenedetectionof2Dlivermodelsand3Dprintedhepaticlobules生物3D打印的应用3D打印药物3D打印使得大剂量、可快速溶解的药丸制造成为可能，赋予了医生对给药速度和强度的定制化能力和完全控制权。通过打印复杂的形状改变药丸的表面面积，就能够控制剂量释放的强度以及时间。这对于实现更加安全、更加高效的剂量管理会大有帮助。制造商们还可以根据个人偏好来调整它们的产品，如选择不同的剂量强度、药丸大小、味道和颜色。对于有吞咽困难的病患，如幼儿和身体损伤者，可定制性尤其能够派上用场。生物3D打印的应用器官生物芯片器官生物芯片是指在微流控生物芯片上制造出微观的人体组织，它们的作用是模仿人体组织的功能。器官生物芯片在进行生物学研究和药物筛选实验时往往比二维的细胞培养方式更加有效。生物3D打印产业化现有生物3d打印设备生物3D打印产业现状未来发展展望生物3D打印产业化RegenovoTechnology:syringe-basedextrusionMaterials:hydrogels,silicone,hydroxipatite,titanium,chitosan2013年8月3D-Bioprinter2014年9月3D-BioprinterⅡ2015年10月Bio-PrinterWorksation生物3D打印产业化RevoteTechnology:syringe-basedextrusionMaterials:Biosynsphere生物3D打印产业化GeSim’sBioscaffolder2.1Technology:syringebasedextrusionandpiezoelectricnanoliterpipettingMaterials:polymers,highviscositypastematerials,alginate,calciumphosphate,silicon,cellsandproteinsolutionsEnvisionTEC’s3DBioplotterManufacturerTechnology:syringe-basedextrusionMaterials:hydrogels,silicone,hydroxipatite,titanium,chitosan生物3D打印产业化Organovo’sNovoGenMMXTechnology:syringebasedextrusionMaterials:cellularhydrogelsRegenHU’s3DDiscovery+BiofactoryTechnology:syringebasedextrusionMaterials:bioink,osteoink生物3D打印产业化3DBioprintingSolutions’FABIONTechnology:multiple(photocurin