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盘点:2016年生物3D打印领域的十大进展

2016-12-29 09:58| 发布者: wangyanqing| 查看: 171| 评论: 0

摘要:   3D生物打印机是一种能够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。  在过去一年中,生物3D打印取得了许多重大突破。例如3D打印 ...
  3D生物打印机是一种能够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。

 
  在过去一年中,生物3D打印取得了许多重大突破。例如3D打印人类皮肤、骨骼甚至是功能齐全的甲状腺。确实,3D打印为生物发展铺平了道路,这也得益于3D打印机独特的重建人体组织结构能力。接下来,小编将为大家盘点2016年生物3D打印领域的十大进展,和大家一起回顾这一年3D打印在生物领域的重要事件。
 
  1、英国布里斯托大学科学家开发出一种新的生物墨水
 
  近日,英国布里斯托大学(UB)的科学家开发出了一种新的生物墨水—它混合有干细胞并通过引导干细胞分化为骨细胞和软骨细胞,用这种墨水3D打印而成的结构就能转化为最初级的骨骼和软骨,再经过数周生长,便会成为真正可用的植入物。且墨水中的合成聚合物还能被从3D结构中彻底“驱逐”出去,只留下有用的干细胞和天然聚合物,有助于在结构中形成微尺寸的孔洞,而这些孔洞能帮助干细胞更有效地接触到营养物质。
 
  据了解,这种新型墨水是由UB细胞与分子医学学院Adam Perriman博士领导的团队研制的。它的成分中除了干细胞,还有两种聚合物—从海藻中提取的天然聚合物,以及医学中常用的一种合成聚合物。前者的功能是作为干细胞生长所需的营养,后者的作用则是令墨水在温度升到一定程度后固化。目前,Perriman博士及其团队已经将他们的研究写成了论文《使用模板多孔生物墨水进行生物3D打印》发表到了《先进医疗材料》杂志上。
 
  2、科学家们创建了一台可以制造器官、组织和骨骼的3D打印机
 
  2016年2月15日,美国北卡罗莱纳州维克森林大学(Wake Forest University)再生医学研究所的科学家们创建了一台可以制造器官、组织和骨骼的3D打印机,理论上,这些打印出来的器官、组织和骨骼能够直接植入人体。这一成果已于当日发表在科学杂志《Nature Biotechnology》上。
 
  据了解,此次研发的3D打印机使用计算机控制的喷嘴以一种非常精确的模式逐层挤出沉积材料,主要含有人体细胞的水凝胶。实际上,该3D打印机拥有多个喷嘴,一些挤出水凝胶,还有一些则挤出可生物降解材料,用来给打印出来的组织提供结构和强度支持。当辅助材料溶解和组织在机器中完成孵化时,它就有可能植入人体。
 
  目前还有待观察维克森林大学的这款3D打印机是否能够真的打印器官——他们将很快在实际的人类身上进行测试。研究人员在其论文中说,在其打印的器官可以真正在一个人身上进行测试之前,他们的技术还需要“进一步发展”。
 
  3、Organovo公司推出3D生物打印人类肾组织产品
 
  2016年9月7日,全球领先的3D生物打印公司Organovo宣布推出一项新的3D生物打印产品——ExVive Human Kidney(ExVive人类肾脏)组织,并提供相应的商业服务。
 
  据悉,ExVive Human Kidney更为准确的描述是3D生物打印肾脏近端小管模型,它将使客户和研究人员更好地研究药物和某些治疗方式对人体肾脏的影响,有效地打开了先进药物发现和开发的大门。到目前为止,Organovo已经收到关于该项创新产品的大量商业订单。
 
  Organovo公司在3D打印行业中以其颠覆性的3D生物打印组织服务而知名。其ExVive肾脏和肝脏组织产品为药学研究人员提供了独特的机会来重现复杂的细胞间相互作用和组织结构元素来测试和确定药物对器官的影响,从而使其更快速有效地发现药物,降低药物研发成本。
 
  4、哈佛大学研发出3D打印肾小管
 
  在过去的几年中,我们已经能够发现生物3D打印取得了许多重大突破。而近期,哈佛大学的Jennifer Lewis实验室的科学家迈出了创建人工肾脏的第一步。通过3D打印机,Jennifer Lewis和她的同事创建出了肾小管,能够为血液流动提供血管网络,一定程度上可以代替生物捐献肾脏。
 
  据了解,要完成3D打印肾小管,首先要在室温下用一种含有人类干细胞的凝胶支撑3D组织网格。随后再使用另一种可在冷却时变成液体的凝胶流出网格,以留下可生长的血管。将材料封闭在细胞外基质中,将生长因子加入到中空通道中,以促使干细胞分化成特定的细胞类型。这种3D打印的肾小管可以存活超过两个月。
 
  5、CollPlant正开发用于生物打印的人体胶原蛋白基生物墨水
 
  近期,再生医学公司CollPlant宣布他们已经从以色列经济部首席科学家那里获得批准,将为他们2016年的开发项目提供部分资金。CollPlant目前正在探索基于人体胶原的医疗产品新的用途,其中包括开发一种生物墨水材料以用于3D打印人体组织和器官。
 
  据悉,该公司此次获得批准的发展计划包括使用CollPlant rhCollagen开发多种可作为3D打印生物墨水材料的胶原基材料,这种材料可以促进人体组织的自然发展。生物墨水将被用于开发3D打印器官以及3D打印用于创伤和烧伤治疗的替代组织。除此之外,首席科学家还资助了一个用来治疗前交叉韧带(ACL)膝关节损伤中常见的肌腱和韧带撕裂的产品。这两个项目都将使用CollPlant公司的Vergenix STR(软组织修复基质),这是一种当初被用来治疗肌腱炎的产品。

  6、用于骨骼修复的3D打印生物陶瓷植入物将很快上市
 
  日前,欧洲的一个研究项目RESTORATION开发出了新的可吸收生物陶瓷材料,可用于三种不同的应用:下颌骨、脊椎和膝盖。由于最终的检测结果相当出色,这些产品有可能会在几年之内出现在市场上。
 
  据了解,这个为期4年的项目得到了欧盟的资金支持,主要目的是开发出一种新的陶瓷复合材料以用于整形和颌面外科的应用。该材料可以模拟骨骼结构,而且可以通过设计并3D打印出详细匹配植入部位的机械要求的植入物。此外,一些陶瓷还具有生物活性,这意味着它们可以被人体充分吸收。
 
  7、Nano Dimension开发高精度干细胞3D生物打印机
 
  近日,以电子3D打印技术著称的Nano Dimension正在和以色列干细胞研究公司Accellta进行合作,以测试一台使用干细胞的3D生物打印机。
 
  据了解,活细胞3D打印技术已经在医学研究中起着重要作用,为了发挥这项技术的全部潜能,推动该领域的进一步发展,Nano Dimension通过把自身的高速度、高精准度的喷墨功能与Accellta的干细胞悬浮技术和诱导分化功能结合在一起,使得3D打印具有高分辨率和高容量”。
 
  该项解决方案已经在可行性研究中被测试过,它使用了Accellta基于悬浮技术细胞培养系统,该系统每批可产生数以亿计的干细胞。有了大量的优质细胞,这两家公司能打印更大、更复杂的组织和器官。
 
  8、3D生物打印血管在体实验成功
 
  2016年12月11日,中组部首批“千人计划”国家特聘专家康裕建教授代表四川省生物增材制造产业技术研究院、四川蓝光英诺生物科技股份有限公司、四川大学华西医院再生医学研究中心向全球发布了由其团队承担的3D生物打印促进人工血管内皮化的研发项目取得的重大突破:全球首创依托干细胞生物墨汁技术构建的3D生物打印血管成功植入恒河猴体内,实现血管再生。这标志着在世界范围内3D生物打印技术在临床应用的开启,同时将引领干细胞制造组织、修复器官的再生医学新时代。
 
  据康裕建教授介绍,团队科研人员利用取自恒河猴自体的脂肪间充质干细胞制备成3D生物打印墨汁,应用自主研发的3D生物血管打印设备构建出具有生物活性的人工血管,并将其置换恒河猴体内一段腹主动脉。截至2016年12月1日,蓝光英诺已完成30只恒河猴3D生物打印血管体内植入实验,实验动物术后存活率为100%。
 
  9、日本逆天生物3D打印 或可实现“再生复活”
 
  近日,佐贺大学宣称,他们已经使用诱导多能干细胞来3D打印血管,而京都大学已经开发出可用于神经再生的组织。
 
  据了解,佐贺大学研究人员采用Cyfuse公司专利的三维组装活细胞技术的特殊形式3D生物打印技术,使用0.5毫米直径细针阵列串起细胞集群,然后将其以三维的形式层积。当这些细胞聚集体熔合在一起之后,这些原始细胞中就会生出弹性组织和内胶原。使用这种方法,佐贺大学教森田茂树教授已经创建出20毫米长,5毫米直径的3D打印管状结构。随后将管状结构细胞从细针上取下,内部使用培养液贯穿。数天后分化成不同种类的细胞会在内壁形成细胞层,最终形成血管。
 
  此外,日本京都大学的研究团队也在使用类似的技术创建3D打印组织,希望未来能够创建出人体皮肤等各种组织细胞。经实验证明,3D生物打印结构可以促进神经再生。研究人员们认为,这种3D生物打印技术可以在不到三年内用于临床研究。
 
  10、科学家开发出能替代软骨的可3D打印生物玻璃
 
  软骨是位于关节和脊椎之间的一种柔软的缔结组织,这种组织受到损伤之后很难修复。日前,来自伦敦帝国学院(Imperial College London)和Milano-Bicocca大学的研究人员们已经开发出一种生物玻璃材料可以模拟真正软骨组织的减震和承重性,并有可能刺激它重新生长。
 
  据了解,生物玻璃是由硅和一种叫做聚己内酯的聚合物组成的。它能够表现出类似软骨的属性,包括柔软、强韧、耐久而具弹性。它可以通过一种可生物降解的墨水形式生成,使得研究人员可以将其3D打印成某种特定的结构以促进软骨细胞在关节内的形成和生长。
 
  目前,该研究团队已经获得了来自英国工程和物理科学研究理事会的资助以帮助他们将研究推进到下一阶段。未来他们将在实验室里对该技术进行一系列测试,并开发出一种手术方法来植入该植入物。他们还将与一些企业伙伴一起开发针对这种材料的3D打印技术。
 
  小结:回顾2016年,生物3D打印技术似乎在一步步地前进,但是每一小步对于医学的发展都是一大步。未来,我们期待生物3D打印技术更加成熟,以帮助更多人克服疾病困扰!


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