解析生物3D列印的進擊之路

整個生物3D列印產業的發展非常迅速，並且逐漸承擔起了救死扶傷的使命。各式各樣的生物印表機逐漸面世，它們提高了醫學研究工作者的生產力，為他們賦予能力。

生物列印設備使得研究人員可以結合細胞、凝膠、纖維、聚合物、陶瓷和金屬等材料做出生物支架，從而取代那些受損或者壞死的人體組織和器官。

事實上，生物列印研究領域非常廣泛，目前在全球已經應用在以下領域：

l 皮膚

l 骨組織

l 血管

l 器官(比如心臟，腎臟，胎盤，卵巢等等)

l 藥物和營養物控釋

皮膚

對大面積燒傷的人來說進行植皮手術所需大面積的皮膚是很困難的，因此醫學研究中一直在尋找簡單的方法製造出植皮所需的皮膚。

威克森林大學再生醫學研究院的研究員們正在研究一種用生物列印技術製造皮膚薄層的方法。制皮之前需要取自傷者身上一塊不大於郵票的皮膚組織，分析這塊皮膚的層數分佈后，這塊組織被放置在經過消毒的噴墨盒中，研究員進行編程輸入印表機中，印表機將會按照程序，參照供體的細胞，利用一種膠體和特殊材料製作出與舊皮膚組織結構相同的新皮膚組織。

研究人員還希望能夠在任何地方輕鬆的製造皮膚。比如醫務人員可以提著一個攜帶型皮膚印表機到戰場上受傷的士兵身邊，掃描傷口，確認所需皮膚層數，從傷者身上提取細胞然後列印出一塊不會產生排斥反應的皮膚，這樣士兵就能得到及時的治療。

骨組織

英國格拉斯哥大學從旨在幫助地雷爆炸倖存者的慈善機構那裡獲得了280萬英鎊的資助，以開發一種3D列印骨頭的方法。

該校的3D列印骨頭開發團隊同意在一隻狗身上嘗試該技術。一種骨碎片、BMP-2、聚(丙烯酸乙酯)/PEA(充當粘合劑)和狗的骨髓混合物被植入到腿部的裂縫中。七周后，骨頭重新生長出來，這隻狗完全康復，並恢復了正常生活。

手術的成功對人類來說是個好消息。雖然離在人類身上測試這種技術還有幾年的時間，但該技術能修復這樣一種複雜的損傷這一事實為世界上數百萬的地雷爆炸倖存者帶來了希望。此外，這種 3D列印技術 還能促進人體任何部位上的骨頭生長。

血管

近日，俄勒岡健康與科學大學(OHSU)的研究人員開發出一個工藝，用一台生物印表機來在已經拔出的牙齒中列印血管，這預計將對根管治療產生積極影響。

OHSU使用預血管化的漿狀組織來促進牙髓再生，並且能實現一個更好的長期治療。為了證明新方法的效果，研究人員在一顆已經拔出的人類牙齒中種植入一種由水凝膠、牙髓細胞和內皮細胞組成的物質，內皮細胞會形成血管的內部。

一移除拔出牙齒的牙髓，團隊就將水凝膠物質和牙髓細胞注射在一個纖維模具周圍，纖維模具用於形成微通道血管。基於以前的研究，研究團隊用一台生物印表機創建了一個瓊脂糖纖維模具。隨後，研究人員取出纖維，並注射入內皮細胞來替代它。七天後，他們發現血管開始形成。

經過這些成功的實驗，研究團隊希望開始進行體內試驗，以確定上述方法在直接應用時是否會成功，研究人員相信「這一發現可能會改變未來根管治療的方式」。實驗結果證明，製造人造血管是一種高效的策略來完全再生牙齒的功能。

器官

3D生物列印技術可讓科研人員另闢途徑地製造人體替換器官，雖然將其應用於醫療服務領域還需很長一段時間，但是科學家相信隨著3D生物列印技術以及再生醫學的發展進步，將最終實現人體器官的個性化定製。

迄今為止在實驗室培育出來的器官只是含有相當簡單的結構。肝臟、心臟和腎臟等固體內髒的製造過程更加複雜。但耶魯大學一所實驗室已用細胞替換技術製造出老鼠肺。它們可在這些嚙齒動物體內運作一段時間。

隨著研究人員更多的利用生物列印技術去解決組織工程問題，相信不久的將來，這些難題都將成為過去。

藥物控釋

倫敦大學製藥學院發表了一篇《3D列印藥片的幾何形狀對於藥物釋放的影響(Effect of Geometry on Drug Release From 3D Printed Tablets)》的論文，詳細說明了利用3D列印技術製造一般難以製造的異形藥片的方法。

未來藥劑設計和製造很可能會從限定劑量的片劑(膠囊或)的大批量生產，轉變為針對單個病人限定劑量的即時製造。為了應對這一挑戰，製藥行業需要評估和接受新的製造技術，其中一項具有潛在應用可能的技術就是3D列印。

幾何形狀確實在決定藥物釋放曲線中起著主要作用。當在3D列印的藥片表面積保持恆定時，藥物釋放速度最快的是金字塔形的藥片，然後是圓環體、立方體、球體，最後才是圓柱體。這個排序與片劑表面積/體積比率直接相關，因為圓柱體的這一比值最低，而金字塔狀的則最高。片劑的藥物釋放動力學顯示其對錶面積並非依賴關係，而是跟表面積與體積的比率直接相關，換言之幾何形狀對藥物釋放曲線存在影響，而大量形狀類似的片劑表現出來的溶解曲線幾乎沒有差別。

一艘進擊的戰艦：Bioplotter生物印表機

隨著生物列印應用領域的不斷拓寬，「戰場」的不斷擴大，也有更多的「戰場利器」出現。小編在上一期中介紹了一款性價比很高的入門級生物印表機INKREDIBLE+，以更加親民的價格和實用性，可謂是戰場中廣泛使用的主站戰車。而今天要為朋友們講解的Bioplotter來自德國envisionTEC公司，則是進擊的戰艦，龐大而又不失優雅，功能與性能的權威直選。

EnvisionTEC 3D-Bioplotter3D生物列印系統自從2000年開始應用於各種醫療用途。到目前為止，使用 Envision 3D 生物印表機的大部分研究都是處於預臨床階段，優秀的科學家們發表了很多成果，這些科學家來自材料科學、神經成像、毒理學等領域。

組織工程和可控藥物釋放需要具備定義良好的外部和內部結構支架，3D-Bioplotter生物印表機具備製造這種支架的能力，材料為單一快速成型設備採用的大範圍的材料種類，從聚合物熔化體上的軟性水凝膠到堅硬的陶瓷或者金屬。能夠覆蓋這麼多的材料種類和列印原理，這也是這艘生物列印界的戰艦能夠佔據一席之地的原因。

3D-Bioplotter生物印表機的軟體可以輕易地設計出複雜的內部結構模式，用以控制力學性能、增加細胞粘附能力、以及提供營養介質在列印的植入物內部連通孔隙流動的性能。

EnvisonTEC擁有獨特的3D生物列印流程：

l 直接使用原材料(粉末，顆粒等)，無需預先處理的線材。

l 醫療級別的材料完全可以使用。

l 為無菌生物安全性環境使用設計，內置無菌和顆粒過濾器處理進入的壓縮空氣。

l 材料存儲於無菌材料盒，避免與印表機的解除，便於清理和消毒。

l 用戶可以創建他們自己的流程參數。

l 獨特設計，既可用於高級組織工程研究的工具，也可用於生產製造環境。

l 可以使用3D-Bioplotter生物印表機系列的所有硬體和軟體選項。

l 包含加熱平台和無菌過濾器，可用於細胞列印和器官列印。

因為集多種列印工藝於一身，可以列印的材料也更加多樣。從陶瓷、金屬漿料的列印到熱塑性塑料線材的擠出，從組織工程支架的列印到細胞和組織的列印。這台多功能的「戰艦」可謂是面面俱到。

多個不同種類列印工藝的列印頭集於一體，使得該印表機成為生物列印界的「加工中心」，能夠在一次加工中實現更多，同時又不失精度。用料的厚實，合理的結構設計，「德國匠心」的融入，使得這台印表機的運行精度和穩定性十分可靠，同時可以允許更長的連續列印時間。從自動噴嘴清洗，到半自動材料標定，這些點點滴滴的功能都是為了給使用者一個接近完美的體驗。可以說這台機器的價格不夠親民，但它的表現也著實強悍。

作為生物列印界的老牌企業，EnvisionTec公司也在精雕細琢，不斷為大家帶來更加強大的「戰艦」。正如前文所介紹的應用領域，我們可以看出，一種單一的3D列印工藝，已經不能讓一台印表機涵蓋生物3D列印的所有應用領域了。但也相信我們能夠在生物列印這個不斷擴大的應用領域中，看到更多強大的設備，今天有了「戰艦」，不遠的將來或許就有「航母」了呢。