3D生物打印器官芯片的發(fā)展過程及應(yīng)用介紹

一、發(fā)展背景

自3D打印技術(shù)問世以來，關(guān)于器官打印的研究不斷升溫，是3D打印領(lǐng)域的一個(gè)熱門方向。目前，國內(nèi)外藥物開發(fā)現(xiàn)狀是高投入、低產(chǎn)出、高風(fēng)險(xiǎn)、低效率，缺乏精準(zhǔn)的篩選模型是困擾藥物開發(fā)的瓶頸。個(gè)性化植、介入器械的生物3D打印技術(shù)重大專項(xiàng)是“國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”資助項(xiàng)目。瑞士regenHU是一家生物3D打印技術(shù)公司，自08年來，一直致力于為再生醫(yī)學(xué)、生物材料、3D打印、組織構(gòu)建以及新醫(yī)療難題提供解決方案。

3D生物打印是一個(gè)非常交叉和融合的學(xué)科，它集合了機(jī)械、材料、細(xì)胞等多種相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)，是一種利用3D增材制造原理，利用生物材料、生長因子、細(xì)胞等活性材料，以重建人體組織和器官為目標(biāo)的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學(xué)工程技術(shù)。開始于20世紀(jì)80年代，至今已發(fā)展得較為成熟，有很大的市場前景，生物3D打印的發(fā)展空間巨大，源于三方面的原因：1)全球醫(yī)療領(lǐng)域的開支巨大，為生物打印技術(shù)提供了潛在的發(fā)展空間；2)生物打印技術(shù)以其快捷、準(zhǔn)確性見長，以其個(gè)性化制造能力與病體需求的差異性充分結(jié)合，配合傳統(tǒng)的CT、ECT技術(shù)在人工假體、人工組織器官的制造方面產(chǎn)生巨大的推動(dòng)效應(yīng)；3)生物3D打印相對其他領(lǐng)域的3D打印更具有經(jīng)濟(jì)性。

二、應(yīng)用場景

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院臨床藥學(xué)研究中心教授申屠建中說，3D打印器官芯片對藥物不同開發(fā)階段都具有很大的價(jià)值，包括早期藥物篩選、臨床Ⅰ期藥物試驗(yàn)和精準(zhǔn)用藥。

器官芯片和類人芯片從根本上改變藥物檢測的手段，并為新藥研發(fā)帶來顛覆性的變革，成為癌癥、腫瘤等疾病研究新的手段和治療方法。例如，新加坡國立大學(xué)HanryYu教授課題組建立了多通道的三維微流體系統(tǒng)應(yīng)用于人體藥物測試。該系統(tǒng)同時(shí)在一個(gè)芯片內(nèi)模擬肝、肺、腎和脂肪4種組織，研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)呈現(xiàn)出與單獨(dú)培養(yǎng)這些組織時(shí)不同的的特征，并貼近于體內(nèi)真實(shí)情況。可見，體外微生理系統(tǒng)可更真實(shí)地模擬體內(nèi)環(huán)境，在不遠(yuǎn)的將來成為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的有效替代手段。

其首席科學(xué)家、杭州電子科技大學(xué)教授徐銘恩說，OrganTrial器官芯片的關(guān)鍵技術(shù)為MCT(離散制造微層析成像技術(shù))、 Tissue Nest(組織巢)等，均為原創(chuàng)性技術(shù)。“生物3D打印技術(shù)出現(xiàn)后，能幫助科學(xué)家批量化地構(gòu)建高仿生組織器官。3D打印器官芯片產(chǎn)品的出現(xiàn)，更能幫助科學(xué)家構(gòu)建微型化、多器官的仿生病理生理模型，加快研究節(jié)奏、推進(jìn)技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。”徐銘恩表示。

據(jù)介紹，OrganTrial器官芯片包含兩個(gè)既獨(dú)立又可組合的模塊：Doloers模塊在一個(gè)微流控體系中集成了小腸/皮膚、肝和腫瘤等組織，可仿真藥物在人體的吸收、代謝及對靶標(biāo)組織的作用；Hive模塊則具有更高靈活度，用戶可基于蜂巢型器官芯片單元，像玩“樂高”一樣搭建更復(fù)雜的組織器官芯片系統(tǒng)。

三、生物3D打印發(fā)展趨勢

隨著生物3D打印的發(fā)展和學(xué)科的進(jìn)一步交叉融合，有可能在體外生命系統(tǒng)工程領(lǐng)域（即生物制造的第5層次）產(chǎn)生顛覆性的突破。從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，生物3D打印技術(shù)奠定了制造學(xué)從使用單一結(jié)構(gòu)材料，到使用功能材料，生物材料和生命材料學(xué)科拓展延伸的科學(xué)基礎(chǔ)；干細(xì)胞技術(shù)和生物/生命材料的發(fā)展提供了必要的基礎(chǔ)材料。此前，由于不同的人體器官各有復(fù)雜之處，制造一種可以打印不同器官的材料極具挑戰(zhàn)性。

RegenHU，一直致力于3D生物打印機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)，經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)積累以及用戶需求的不斷升級，3D生物打印機(jī)經(jīng)過多次的改進(jìn)，目前設(shè)備主機(jī)具有5個(gè)帶完整功能的獨(dú)立機(jī)械臂的打印頭安裝位，并可在任意位置安裝不同技術(shù)的打印頭，每個(gè)打印頭可配置獨(dú)立的溫控系統(tǒng)，提供直壓、噴墨、高溫、體積控制、光固化、靜電紡絲等至少6種不同技術(shù)的打印頭套組，以滿足不同客戶不同打印材料以及不同模型設(shè)計(jì)的需求。

目前RegenHU，運(yùn)用了微流體技術(shù)DFM（Design for Manufacturability），其主要考慮到打印頭的運(yùn)動(dòng)方式、慣性、加速度等因素，以最大程度地減少打印頭的移動(dòng)時(shí)間，從而縮短打印時(shí)間。

那么它具體的技術(shù)優(yōu)勢如下：

1、提高打印速度：通過優(yōu)化打印頭的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作機(jī)制，可以減少打印過程中的空閑時(shí)間，提高打印速度。

2、提高打印精度：DFM考慮到打印頭的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、剛度和振動(dòng)等因素，以減少振動(dòng)和變形對打印精度的影響。通過優(yōu)化打印頭的設(shè)計(jì)，可以減小誤差，提高打印精度。

3、降低材料浪費(fèi)：DFM可以優(yōu)化打印頭的噴嘴結(jié)構(gòu)和材料供給機(jī)制，以減少材料的浪費(fèi)。通過控制材料的流量和噴射方式，可以確保材料的準(zhǔn)確使用，并避免過度噴射和溢出。

4、提高可靠性和穩(wěn)定性：DFM考慮到打印頭的耐久性和穩(wěn)定性，以提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。通過選用高質(zhì)量的材料、增強(qiáng)打印頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可以減少打印過程中的故障和維修需求。

5、降低成本：通過優(yōu)化打印頭的設(shè)計(jì)，可以減少材料和能源的消耗，降低生產(chǎn)成本。DFM還可以減少廢品產(chǎn)生和后續(xù)處理的成本，提高生產(chǎn)效率。

綜上所述，DFM的作用是優(yōu)化打印頭的設(shè)計(jì)，以提高制造效率、質(zhì)量和可靠性，并降低成本和材料浪費(fèi)。它是3D打印過程中非常重要的一環(huán)，能夠?qū)φ麄�(gè)打印過程產(chǎn)生積極的影響。