3D生物打印技术推动医疗“革命”

    3D打印技术最近很火!《经济学人》把它的影响与当年工厂的出现相提并论。

    3D打印出人体器官？这或许在20年前根本不能想象，如今却有可能通过3D生物打印机来实现。“当然我们所用材料不是墨水，而是‘生物墨水’，即细胞。”迈克·瑞纳德(Michael Renard)对本报记者表示，如何创造这些“生物墨水”正是技术的关键。

    迈克·瑞纳德是美国Organovo公司执行副总裁兼商业运营官。这是一家来自美国圣地亚哥专注3D打印制造生物组织并用于药物研究和外科运用的公司，该公司通过和美国专门学术机构以及其他商业公司合作，研发技术。一个最开始靠天使投资设立于2007年的小公司，成为全球第一家拥有3D生物打印技术的公司。

    2010年，其高调推出了第一款商业化的3D生物打印机并用于制造组织，但是其并没有公开销售，而选择进行低调在几个固定学术机构进行科研使用。

    “现在我还不能向你透露具体运营台数和造价，但是这些生物3D打印机目前用于我们自身的研究室、还有一些选择性的学术机构，用于研究组织工程学。”瑞纳德表示。

    但根据美国《华尔街日报》对此的报道显示，该公司目前已经有10余台3D生物打印机，每台造价在数十万美元。

    目前，通过此技术利用细胞可以打印出具有功能性的人体组织，但是尚还不能完成复杂的器官打印。

    然而瑞纳德表示，最终的目标是能够打印出可移植的人体器官，“当然我们近期的目标还是将着力于医疗研究和药物寻找上。

    除此之外，面对一些研究实际难题，瑞纳德表示，“我们现在关注于制造出更大的人体组织，与微型血管系统结合。”

“生物墨水”的秘密

    一般而言，银、塑料或是钛等材料利用3D打印机可以生产出一个个实际的物体，或是玩具，抑或是珠宝等。

    而对于3D生物打印机而言，这一切都不是那么简单，因为其所需要的是“生物墨水”。

    “我们所用材料来源为细胞。”瑞纳德表示。

    本报记者从Organovo以及其合作研究机构处了解到，目前这些细胞主要有四种来源：成人干细胞(adult stem cells)、诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells，简称 IPS细胞)、原始细胞(primary cells)以及祖细胞(progenitor cells)。

    与之相对，其他相似机构则是使用人造生物材料或是异基因的材料用以设计和最终组织的构成。

    “但是，相比而言，我们生产的组织是有功能性的、100%的人体组织、无支架以及脱细胞的组件。”瑞纳德表示。

    有了这些细胞材料后，通过在3D生物打印机的作用下，理论上各式各样的组织就能形成了。

    根据美国实验室最新研究报告显示，该类打印机能够生产出组织结构，通过一层一层的架构最终形成3D造型体，如适用于血管的管子和适用于关节的波状软骨。

    据了解，Organovo问世的3D生物打印机拥有以激光为导向的印刷喷嘴，而这个喷嘴可以喷出由不同细胞混合的“墨水”。而每一滴“墨水”就是含有10000至30000万个细胞的一滴溶液，最终形成人体组织。

    “这些细胞在开始必须精心的准备，使其能够在生物打印机上得到精确的布置和处置。”瑞纳德表示。

    目前该款号称全球第一款商业化的3D生物打印机并没有直接推向市场，但瑞纳德表示，他们选择将其运用于自身的科研以及提供给合作伙伴。

    “因为，尽管目前用其可以设计制造出很多人体组织，但另一方面可以通过这个过程去获得更多有价值的专门技术。”

    据本报记者了解，目前Organovo最重要的合作伙伴为美国辉瑞制药公司(Pfizer Inc)、美国联合治疗集团(United Therapeutics Corp)、哈佛医学院以及哥伦比亚大学等。

面临三大难题

    3D生物打印还处于实验室阶段，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，解决个性化器官设计的难题。

    根据公开的资料显示，目前3D生物打印机能够非常成功的生产出简单的组织结构，大约由20层细胞构成。如以厚度为标准衡量，其仅为几百微米，相当于人类少许的头发。

    然而，目前使用3D生物打印机生产出来的一些更大组织，其自身力度很差，甚至连自身的磨损都不能承受。

    此外，怎样使这些被生产出的组织得到存活是科学界关注的话题。

    “一个重要的挑战是弄清楚怎样养活这些组织。”宾夕法利亚大学组织精密加工实验室主任克里斯多夫(Christopher Chen)曾经接受媒体采访时表示。

    对此，瑞纳德则表示他们注意到了这些挑战，并对本报记者表示，“能够将选好的细胞和既定的设计结合起来完成细胞融合、组织形成和所需形态的过程，最终生产出有效的人类组织。而这一点是整个技术的重中之重。”

    另外，对于相关电脑软件问题，Organovo已与全球顶尖的软件服务公司Autodesk合作，并于上周宣布两家公司将合作开发第一款用于人体器官建模的软件。

    对于此次合作细节，瑞纳德并未向本报记者过多透露。但是他却表示双方合作的第一阶段将是组建一个双边的项目小组，相关进展消息将会在2013年陆续公布。

11亿美元市场诞生

    除此之外，瑞纳德还向本报记者详细介绍了接下来发展方向。

    “我们现在正在做的一件事情是设计和建立人体组织，并在2014年作为商业发布。这些组织将会被用于试管实验加以推动医疗研究和药品发现领域的发展。”

    由此可见，该技术目前处实验室医疗研究和药品发现阶段，而并非临床器官移植。

    但是这一切并不意味着现在3D生物打印机不具有商业价值。恰恰相反，一个巨大的商业市场正在孕育。

    根据BBC市场研究报告显示，Organovo已经重点关注的3D生物打印机运用于药物发现研究以及毒性测试行业，全球市场价值达到了11亿美元。

    由于被严格控制的临床实验以及相关监管体系，目前很难得到相关实验批准，即在病人治疗上使用这些组织。而且目前也很难预测何时能将生物打印组织疗法用于临床。

    不过，瑞纳德还是乐观预测，“未来十年有可能看到第一次简单的补充性疗法，而更加复杂的移植疗法将未来二十年间出现。”