一款生物3D打印工作站问世 科学家打印出“肝单元”

　　近年来，随着技术的发展，3D打印已率先在医疗领域获得应用上的突破。这主要因为医疗行业（尤其是修复性医学领域）个性定制化需求显着，鲜有标准的量化生产，而个性化、小批量和高精度恰是3D打印技术的优势所在。

　　日前，杭州电子科技大学等机构的科学家在杭州发布了一款自主研发的生物3D打印工作站“Regenovo 3D bio-print WorkStation”。利用这款新的生物3D打印设备，科学家们“打印”出肝单元“Regenovo 3D Liver”。

　　这两项研究成果获得了包括院士在内的专家鉴定组的肯定，认为其不但推进了3D打印人工组织器官的研发进程，也为新药筛选提供了全新的解决方案，将推动中国新药创制与开发。

　　据了解，成人肝脏由50到100万个称作肝小叶的单元组成，肝小叶是肝结构和功能的基本单位，模仿肝小叶结构制备肝单元，是制造人工肝脏的关键步骤。

　　据该研究团队负责人、杭州电子科技大学教授徐铭恩介绍，以往的生物3D打印设备是以工业需求为主，根据医学等方向的需求进行调整，有别于此，该生物3D打印设备紧扣生命科学和医学需求进行创新，自主构建和完善了整个技术平台。例如，专门设计的生物架构师控制系统，实现了专业面向生物医学需求的打印控制，其多任务处理能力也为生物学研究提供了扩展平台；相关的多喷头系统，则可以实现8种不同细胞的同步打印与差异化控制。

　　借助于这套生物3D打印系统，承担国家863计划“面向快速修复及组织器官移植应用的系列生物3D打印技术和装备开发”的浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室，2015年实现了具有稳定功能3D打印肝单元的批量生产。

　　探索生物3D打印奥秘的徐铭恩

　　打开电脑，找出一个鼻软骨的三维模型，按下启动键，与电脑相连的打印机喷头挤出含有细胞的水凝胶来，一层置于另一层之上，不到一个小时，一个鼻软骨就被“打印”出来了……这不是科幻电影，这台神奇的打印机真实存在。

　　2013年8月，徐铭恩教授团队发布了细胞组织3D打印机“Regenovo”，已成功打印出人类肝脏单元、血管，打印出的细胞存活率达90%，最长存活时间4个月，在生物材料兼容性、细胞打印特性等参数上在同类产品中处于国际领先水平。

　　高中时代的徐铭恩是物理学科的“学霸”。高二时，他的外公去世了。徐铭恩开始觉得“物理离生活有点远”。高考报考时，他选择的专业是“药学”。此后的选择，一直不离生命科学领域。2005年，徐铭恩在做博士后研究时，开始研究生物3D打印。8年间，太多次放弃的可能：研究初期，细胞死亡率很高，90%以上的细胞都无法存活，后来细胞存活率大幅度提高了，但打印出来的结构又坚持不了一周。等技术问题“过关”后，资金问题又接踵而来……

　　“这个时代，挫折多、诱惑也多，我想保持一个方向。”徐铭恩说，“理想不是挂在嘴边说的，有时甚至可能忘记它还存在，但在人生无数次选择的关口，理想就是关键的那枚砝码。”

　　读书时，徐铭恩一路名校：在浙江大学拿到药学学士和生物医学工程博士学位，在清华大学机械工程系完成博士后研究，又转赴美国爵硕大学机械系“计算机辅助组织工程实验室”做访问学者。然而，在选择工作机构时，面对包括两所母校在内的多所名校的延请，他却出人意料地“落户”在浙江的一所省属高校——杭州电子科技大学。

　　“我相信市场经济，相信创新的根本在于中小企业，所以长三角区域会是首选。”徐铭恩说，在杭州电子科技大学，“学校给我一小片自主空间，允许我静下心来做。”在杭州电子科技大学，徐铭恩为本科生开设的公选课“生命科学导论课”连续多年被学生评为最好的公选课之一。学生们说：“徐老师能把枯燥的知识与有趣的实例相结合，想不感兴趣都难。”

　　突破3D打印细胞营养输送难题

　　浙江大学机械工程学院傅建中教授课题组开发出一种器官打印工艺，在打印组织结构的同时打印出内部的营养输送通道，成功解决了3D打印细胞的营养维持问题。有了营养，细胞就能“活”得更久，这使得大尺寸器官3D打印成为可能。

　　器官打印，是用3D打印的办法，将含细胞的生物墨水进行一层层的精确可控沉积，从而构造出含细胞的三维结构，在此基础上进行后续培养，以获得想要的组织。打印“活物”远比打印一般的三维模型困难许多。“组织内遍布纤细的血管，它们是输送营养的流道。我们要在体外重构这些‘血管’。”论文通讯作者贺永副教授介绍，这是3D打印的一个热点问题。由于用来打印的凝胶材料非常软，现有思路多为先打印组织，再构造流道的“二次打印”法，效果不够理想。

　　课题组的思路，是同时打印组织结构和营养输送流道——一次成型！在一次实验中，他们偶然发现使用同轴喷头挤中空凝胶丝时、挤出的两条凝胶丝可以融合在一起，并具有一定的强度。“由于凝胶纤维内部是中空的，那应该能利用其进行营养输送。”贺永说，受此启发，课题组用了一年的时间，尝试基于中空凝胶纤维进行器官打印。

　　一次成型的工艺是否可靠？贺永说：“除了在工艺上方便快捷之外，一系列实验也证明了这一工艺的优越性：流道不但能稳定输送营养，还能让大分子营养物质渗透到细胞中去。”据介绍，这一方法还可广泛应用于片上器官、凝胶基微流控芯片、细胞传感器芯片、药物筛选芯片等领域。

　　“3D打印”究竟是什么？

　　3D打印（3Dprinting）也称为“增材制造（AdditiveManufacturing）”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。现代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。CharlesHull（3DSystems公司的创始人）和ScottCrump（Stratasys公司的创始人）是3D打印技术的先驱人物。

　　以3DSystems和DTM公司为代表的一批美国中小科技公司在20世纪80年代末~90年代初相继研发出立体光固成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和熔丝沉积造型（FDM）等主流技术路线，经过20多年的沉淀和不断完善已经日臻成熟。

　　3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业，整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程，无需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构。

　　目前，3D打印设备已经广泛地应用于航空航天、汽车、消费电子、工业、医疗、建筑等领域。功能也从最早的展示、教学拓展到工业模具的制造，乃至零部件的直接制造。随着3D打印技术越来越成熟，它的应用范围将越来越广，未来将深刻地改变世界制造业的理念、方法和格局。