本文登於(yu) 《3D打印商情》報第五期“陝西3D打印”專(zhuan) 版

     增材製造（3D打印）在生物醫學領域的應用前景很廣闊，由此也形成一個(ge) 新的學科方向——生物製造。目前這一獨立學科分支迅速發展，其科學內(nei) 涵逐漸明晰。其中，細胞三維受控組裝被認為(wei) 有可能解決(jue) 傳(chuan) 統組織工程的局限性、實現定製化人工假體(ti) 和複雜器官人工製造的技術發展方向。

    生物製造是用生物材料或細胞和生物因子製造具有生物組織功能生物產(chan) 品的過程。它利用先進的製造技術，結合生命科學原理，設計和製造生命或非生命生物組織或功能器官。

    生物製造對人類健康意義(yi) 重大。生命與(yu) 健康是人類社會(hui) 的重要需求和社會(hui) 文明的標誌。長期以來，人們(men) 希望通過更換病變組織和器官提高生存質量，而社會(hui) 人口老齡化和疾病患者年輕化使得組織器官供需矛盾日益尖銳。某些組織和器官的需求比例已達1:150，凸顯出研發人體(ti) 組織器官產(chan) 品的必要性和迫切性。目前人造組織器官的產(chan) 值約占全球生物醫學工程產(chan) 值的15%，其潛在市場高達4000億(yi) 美元。據美國食品與(yu) 藥品管理局預測，人體(ti) 器官和功能組織替代物將在未來10年占據生物醫學工程產(chan) 業(ye) 的50%。為(wei) 此，世界許多國家都在積極製定針對人體(ti) 組織與(yu) 器官製造領域的中長期研究計劃，為(wei) 未來占領這一新興(xing) 產(chan) 業(ye) 發展製高點加強基礎科學研究。如美國《2020年製造技術的挑戰》將生物製造技術列為(wei) 11個(ge) 主要發展方向之一；日本機械學會(hui) 技術路線圖將微觀生物力學對促進承載支持組織再生確定10個(ge) 研究方向之一，其預測“2020年及以後，適合許多大型組織和器官再生的刺激條件得到明確”，藉此體(ti) 現機械工程對再生醫學治療的貢獻；中國機械工程學科發展戰略報告(2011-2020)也明確將生物與(yu) 仿生製造列為(wei) 未來主要發展方向之一。美國科學基金會(hui) 組織美國科學院、工程院、醫學研究所撰寫(xie) 的《2020年製造業(ye) 挑戰的展望》中將生物組織製造作為(wei) 高新科技主要方向重點支持。這顯示美國在高科技前瞻性布局，並為(wei) 其未來的經濟競爭(zheng) 力鋪墊基礎。這一發展方向顯示出了製造對象由傳(chuan) 統的工業(ye) 產(chan) 品向生命體(ti) 部件延伸的發展趨勢，這將對生物醫學技術的進步產(chan) 生革命性的影響。

    我國加快發展生物製造產(chan) 業(ye) 勢在必行。許多國家從(cong) 組織和經費方麵落實這一發展戰略。例如，美國哈佛醫學院與(yu) 美國麻省理工學院合作成立了組織與(yu) 器官研究中心，研究心髒、肝髒、皮膚、骨和膀胱等組織的生物組織與(yu) 器官製造方法，並形成了在生物組織與(yu) 器官製造研究領域的技術優(you) 勢。2009年6月，英國Wellcome Trust宣布聯合英國工程與(yu) 自然科學研究理事會(hui) (EPSRC)在倫(lun) 敦國王學院、牛津大學、帝國理工和裏茲(zi) 大學，花費5000萬(wan) 英鎊建立4個(ge) 生物醫學中心，針對醫學圖像技術、個(ge) 性化治療、關(guan) 節炎治療和人工關(guan) 節技術，從(cong) 數學、物理、工程和醫學交叉領域探索麵向人類健康的個(ge) 性化產(chan) 品研究。全球有70多家公司從(cong) 事生物活性組織與(yu) 器官相關(guan) 產(chan) 品的製造。我國應緊跟這一發展趨勢，及時跟進研究，滿足未來社會(hui) 發展和產(chan) 業(ye) 結構調整的需求，以自動化技術與(yu) 裝備，提高我國生物和生命高新技術產(chan) 業(ye) 發展的競爭(zheng) 力。

    生物組織製造需要理清發展途徑。生物組織製造的發展主要體(ti) 現在兩(liang) 個(ge) 方麵，一是從(cong) 非活性替代物製造向活性生物組織和器官製造發展。例如現在的金屬或陶瓷人工關(guan) 節，未來向人工活性骨/軟骨關(guan) 節發展，目前的體(ti) 外人工肝支持係統向體(ti) 內(nei) 肝組織製造研究發展，使得機械工程從(cong) 過去的非生命體(ti) 製造向生命體(ti) 製造發展。製造技術不但要製造出組織和器官的外形，滿足外形結構和力學性能的需求，還有製造出滿足細胞與(yu) 組織生長所需要的內(nei) 部微結構，滿足生命體(ti) 生長的生物循環係統的需要。二是從(cong) 批量製造向個(ge) 性化製造。阿斯利康（全球領先製藥公司）全球副總裁Anders Ekblom先生認為(wei) ，個(ge) 性化醫療將是未來很多醫藥公司的發展趨勢，它能夠幫助患者找到正確的治療方案。例如人工關(guan) 節置換，目前按照企業(ye) 生產(chan) 的型號給患者配置，但每個(ge) 人的運動特征和生理特征有很大差異，導致治療效果差異很大。個(ge) 性化設計和快速低成本製造人工器官和手術器械是發展未來的發展方向，也是傳(chuan) 統機械工程創新發展的新機遇。

    推進生物製造應用的三項製造技術

    製造技術對生命醫學發展的支撐作用，生物組織與(yu) 器官製造技術將從(cong) 非生命假體(ti) 、向簡單生命體(ti) （活性骨為(wei) 代表）和複雜生命結構體(ti) （肝組織為(wei) 代表）發展。

    1. 植入式人工假體(ti) 設計與(yu) 製造技術。植入體(ti) 內(nei) 輔助假體(ti) ，其特點是非活性體(ti) ，以機械結構（例如骨板骨釘、人工關(guan) 節、血管支架等）或機電係統（例如人工眼、人工耳蝸、人工心髒等）替代人體(ti) 功能的作用。特點是用非活性材料製造組織或器官缺損的替代物。例如在人工眼的製造中，將讓盲人受益。人工眼睛是在盲人的眼窩忠安裝一個(ge) 微型攝像機，其捕捉的外部景象形成圖像，經無線發射器傳(chuan) 送到患者眼球表麵的人造視網膜上。這些圖像再轉換為(wei) 電脈衝(chong) 信號，人造視網膜上的電極會(hui) 刺激視網膜的視覺神經，繼續將脈衝(chong) 信號沿視覺神經傳(chuan) 送到大腦，使人可以看到物體(ti) 。

    2．生物活性骨製造技術。生物活性骨是指通過骨支架設計製造以及細胞植入培養(yang) ，植入人體(ti) 後可以轉化為(wei) 人體(ti) 自身骨骼的組織。製造活性組織是醫療臨(lin) 床的迫切需要。從(cong) 目前的研究來看，麵臨(lin) 的最大挑戰是生物支架在植入體(ti) 內(nei) 後強度不足和骨轉化速度低等問題，這些問題與(yu) 骨支架的材料性能和三維結構設計相關(guan) 。生物陶瓷或生物高分子材料是骨支架常用的材料，但是由於(yu) 植入早期由於(yu) 韌性不足導致支架失效。發展複合材料支架是解決(jue) 這一問題的方向，包括金屬與(yu) 陶瓷材料複合結構、陶瓷與(yu) 高分子材料或陶瓷與(yu) 碳纖維複合結構，需要研究複合材料結構的性能優(you) 化設計方法，研究複合材料結構的快速製造方法。

    3．複雜內(nei) 髒器官的設計與(yu) 製造技術。內(nei) 髒器官（心髒、肝髒、腎髒、肺等）結構更加複雜，例如肝組織具有多套循環網絡係統，包括肝動脈、肝靜脈、門靜脈、膽管係統。複雜內(nei) 髒器官再造要從(cong) 簡單組織向這樣複雜器官的跨越，必須認識其中的科學機理，建立製造技術平台，構建器官生長環境。這就需要在更大的範圍內(nei) ，進行多學科交叉與(yu) 融合研究，更長周期的投入和發展。研究複雜內(nei) 髒器官仿生設計技術。認識微結構係統的功能與(yu) 結構的關(guan) 係。研究微結構製造技術與(yu) 材料/細胞組裝技術，根據對微結構組織和管道的設計要求，進行多基質和多細胞體(ti) 係的受控組裝製造，目前學術界研究熱點的細胞三維打印技術有可能成為(wei) 複雜組織製造的有效方法，此外，複雜組織要誘導細胞與(yu) 基質材料作用轉化成為(wei) 相應的組織器官，這需要生物反應器控製培養(yang) 環境。

    個(ge) 性化是醫療產(chan) 品的發展趨勢，個(ge) 性化組織與(yu) 器官替代物具有巨大的市場商機，也是民生工程的重要方麵，而增材製造技術是最佳的個(ge) 性化製造工具，由此形成的生物製造方向已經成為(wei) 多學科交叉的研究與(yu) 應用領域，這是未來一個(ge) 新興(xing) 產(chan) 業(ye) 。#p#分頁標題#e#