本文登于《3D打印商情》報(bào)第五期“陜西3D打印”專版

     增材制造（3D打?。┰谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景很廣闊，由此也形成一個(gè)新的學(xué)科方向——生物制造。目前這一獨(dú)立學(xué)科分支迅速發(fā)展，其科學(xué)內(nèi)涵逐漸明晰。其中，細(xì)胞三維受控組裝被認(rèn)為有可能解決傳統(tǒng)組織工程的局限性、實(shí)現(xiàn)定制化人工假體和復(fù)雜器官人工制造的技術(shù)發(fā)展方向。

    生物制造是用生物材料或細(xì)胞和生物因子制造具有生物組織功能生物產(chǎn)品的過(guò)程。它利用先進(jìn)的制造技術(shù)，結(jié)合生命科學(xué)原理，設(shè)計(jì)和制造生命或非生命生物組織或功能器官。

    生物制造對(duì)人類健康意義重大。生命與健康是人類社會(huì)的重要需求和社會(huì)文明的標(biāo)志。長(zhǎng)期以來(lái)，人們希望通過(guò)更換病變組織和器官提高生存質(zhì)量，而社會(huì)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(dá)1:150，凸顯出研發(fā)人體組織器官產(chǎn)品的必要性和迫切性。目前人造組織器官的產(chǎn)值約占全球生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)值的15%，其潛在市場(chǎng)高達(dá)4000億美元。據(jù)美國(guó)食品與藥品管理局預(yù)測(cè)，人體器官和功能組織替代物將在未來(lái)10年占據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)的50%。為此，世界許多國(guó)家都在積極制定針對(duì)人體組織與器官制造領(lǐng)域的中長(zhǎng)期研究計(jì)劃，為未來(lái)占領(lǐng)這一新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究。如美國(guó)《2020年制造技術(shù)的挑戰(zhàn)》將生物制造技術(shù)列為11個(gè)主要發(fā)展方向之一；日本機(jī)械學(xué)會(huì)技術(shù)路線圖將微觀生物力學(xué)對(duì)促進(jìn)承載支持組織再生確定10個(gè)研究方向之一，其預(yù)測(cè)“2020年及以后，適合許多大型組織和器官再生的刺激條件得到明確”，藉此體現(xiàn)機(jī)械工程對(duì)再生醫(yī)學(xué)治療的貢獻(xiàn)；中國(guó)機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告(2011-2020)也明確將生物與仿生制造列為未來(lái)主要發(fā)展方向之一。美國(guó)科學(xué)基金會(huì)組織美國(guó)科學(xué)院、工程院、醫(yī)學(xué)研究所撰寫的《2020年制造業(yè)挑戰(zhàn)的展望》中將生物組織制造作為高新科技主要方向重點(diǎn)支持。這顯示美國(guó)在高科技前瞻性布局，并為其未來(lái)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力鋪墊基礎(chǔ)。這一發(fā)展方向顯示出了制造對(duì)象由傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品向生命體部件延伸的發(fā)展趨勢(shì)，這將對(duì)生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生革命性的影響。

    我國(guó)加快發(fā)展生物制造產(chǎn)業(yè)勢(shì)在必行。許多國(guó)家從組織和經(jīng)費(fèi)方面落實(shí)這一發(fā)展戰(zhàn)略。例如，美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院與美國(guó)麻省理工學(xué)院合作成立了組織與器官研究中心，研究心臟、肝臟、皮膚、骨和膀胱等組織的生物組織與器官制造方法，并形成了在生物組織與器官制造研究領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。2009年6月，英國(guó)Wellcome Trust宣布聯(lián)合英國(guó)工程與自然科學(xué)研究理事會(huì)(EPSRC)在倫敦國(guó)王學(xué)院、牛津大學(xué)、帝國(guó)理工和里茲大學(xué)，花費(fèi)5000萬(wàn)英鎊建立4個(gè)生物醫(yī)學(xué)中心，針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)、個(gè)性化治療、關(guān)節(jié)炎治療和人工關(guān)節(jié)技術(shù)，從數(shù)學(xué)、物理、工程和醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域探索面向人類健康的個(gè)性化產(chǎn)品研究。全球有70多家公司從事生物活性組織與器官相關(guān)產(chǎn)品的制造。我國(guó)應(yīng)緊跟這一發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)跟進(jìn)研究，滿足未來(lái)社會(huì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求，以自動(dòng)化技術(shù)與裝備，提高我國(guó)生物和生命高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)力。

    生物組織制造需要理清發(fā)展途徑。生物組織制造的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是從非活性替代物制造向活性生物組織和器官制造發(fā)展。例如現(xiàn)在的金屬或陶瓷人工關(guān)節(jié)，未來(lái)向人工活性骨/軟骨關(guān)節(jié)發(fā)展，目前的體外人工肝支持系統(tǒng)向體內(nèi)肝組織制造研究發(fā)展，使得機(jī)械工程從過(guò)去的非生命體制造向生命體制造發(fā)展。制造技術(shù)不但要制造出組織和器官的外形，滿足外形結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的需求，還有制造出滿足細(xì)胞與組織生長(zhǎng)所需要的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，滿足生命體生長(zhǎng)的生物循環(huán)系統(tǒng)的需要。二是從批量制造向個(gè)性化制造。阿斯利康（全球領(lǐng)先制藥公司）全球副總裁Anders Ekblom先生認(rèn)為，個(gè)性化醫(yī)療將是未來(lái)很多醫(yī)藥公司的發(fā)展趨勢(shì)，它能夠幫助患者找到正確的治療方案。例如人工關(guān)節(jié)置換，目前按照企業(yè)生產(chǎn)的型號(hào)給患者配置，但每個(gè)人的運(yùn)動(dòng)特征和生理特征有很大差異，導(dǎo)致治療效果差異很大。個(gè)性化設(shè)計(jì)和快速低成本制造人工器官和手術(shù)器械是發(fā)展未來(lái)的發(fā)展方向，也是傳統(tǒng)機(jī)械工程創(chuàng)新發(fā)展的新機(jī)遇。

    推進(jìn)生物制造應(yīng)用的三項(xiàng)制造技術(shù)

    制造技術(shù)對(duì)生命醫(yī)學(xué)發(fā)展的支撐作用，生物組織與器官制造技術(shù)將從非生命假體、向簡(jiǎn)單生命體（活性骨為代表）和復(fù)雜生命結(jié)構(gòu)體（肝組織為代表）發(fā)展。

    1. 植入式人工假體設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。植入體內(nèi)輔助假體，其特點(diǎn)是非活性體，以機(jī)械結(jié)構(gòu)（例如骨板骨釘、人工關(guān)節(jié)、血管支架等）或機(jī)電系統(tǒng)（例如人工眼、人工耳蝸、人工心臟等）替代人體功能的作用。特點(diǎn)是用非活性材料制造組織或器官缺損的替代物。例如在人工眼的制造中，將讓盲人受益。人工眼睛是在盲人的眼窩忠安裝一個(gè)微型攝像機(jī)，其捕捉的外部景象形成圖像，經(jīng)無(wú)線發(fā)射器傳送到患者眼球表面的人造視網(wǎng)膜上。這些圖像再轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，人造視網(wǎng)膜上的電極會(huì)刺激視網(wǎng)膜的視覺神經(jīng)，繼續(xù)將脈沖信號(hào)沿視覺神經(jīng)傳送到大腦，使人可以看到物體。

    2．生物活性骨制造技術(shù)。生物活性骨是指通過(guò)骨支架設(shè)計(jì)制造以及細(xì)胞植入培養(yǎng)，植入人體后可以轉(zhuǎn)化為人體自身骨骼的組織。制造活性組織是醫(yī)療臨床的迫切需要。從目前的研究來(lái)看，面臨的最大挑戰(zhàn)是生物支架在植入體內(nèi)后強(qiáng)度不足和骨轉(zhuǎn)化速度低等問(wèn)題，這些問(wèn)題與骨支架的材料性能和三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)。生物陶瓷或生物高分子材料是骨支架常用的材料，但是由于植入早期由于韌性不足導(dǎo)致支架失效。發(fā)展復(fù)合材料支架是解決這一問(wèn)題的方向，包括金屬與陶瓷材料復(fù)合結(jié)構(gòu)、陶瓷與高分子材料或陶瓷與碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，需要研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的快速制造方法。

    3．復(fù)雜內(nèi)臟器官的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。內(nèi)臟器官（心臟、肝臟、腎臟、肺等）結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，例如肝組織具有多套循環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括肝動(dòng)脈、肝靜脈、門靜脈、膽管系統(tǒng)。復(fù)雜內(nèi)臟器官再造要從簡(jiǎn)單組織向這樣復(fù)雜器官的跨越，必須認(rèn)識(shí)其中的科學(xué)機(jī)理，建立制造技術(shù)平臺(tái)，構(gòu)建器官生長(zhǎng)環(huán)境。這就需要在更大的范圍內(nèi)，進(jìn)行多學(xué)科交叉與融合研究，更長(zhǎng)周期的投入和發(fā)展。研究復(fù)雜內(nèi)臟器官仿生設(shè)計(jì)技術(shù)。認(rèn)識(shí)微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。研究微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與材料/細(xì)胞組裝技術(shù)，根據(jù)對(duì)微結(jié)構(gòu)組織和管道的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行多基質(zhì)和多細(xì)胞體系的受控組裝制造，目前學(xué)術(shù)界研究熱點(diǎn)的細(xì)胞三維打印技術(shù)有可能成為復(fù)雜組織制造的有效方法，此外，復(fù)雜組織要誘導(dǎo)細(xì)胞與基質(zhì)材料作用轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)的組織器官，這需要生物反應(yīng)器控制培養(yǎng)環(huán)境。

    個(gè)性化是醫(yī)療產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，個(gè)性化組織與器官替代物具有巨大的市場(chǎng)商機(jī)，也是民生工程的重要方面，而增材制造技術(shù)是最佳的個(gè)性化制造工具，由此形成的生物制造方向已經(jīng)成為多學(xué)科交叉的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，這是未來(lái)一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#