一、發(fā)展背景
自3D打印技術問世以來,關于器官打印的研究不斷升溫,是3D打印領域的一個熱門方向。目前,國內外藥物開發(fā)現(xiàn)狀是高投入、低產出、高風險、低效率,缺乏精準的篩選模型是困擾藥物開發(fā)的瓶頸。個性化植、介入器械的生物3D打印技術重大專項是“國家重點研發(fā)計劃”資助項目。瑞士regenHU是一家生物3D打印技術公司,自08年來,一直致力于為再生醫(yī)學、生物材料、3D打印、組織構建以及新醫(yī)療難題提供解決方案。
3D生物打印是一個非常交叉和融合的學科,它集合了機械、材料、細胞等多種相關領域的技術,是一種利用3D增材制造原理,利用生物材料、生長因子、細胞等活性材料,以重建人體組織和器官為目標的跨學科、跨領域的新型再生醫(yī)學工程技術。開始于20世紀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)全酋醫(yī)療領域的開支巨大,為生物打印技術提供了潛在的發(fā)展空間;2)生物打印技術以其快捷、準確性見長,以其個性化制造能力與病體需求的差異性充分結合,配合傳統(tǒng)的CT、ECT技術在人工假體、人工組織器官的制造方面產生巨大的推動效應;3)生物3D打印相對其他領域的3D打印更具有經濟性。
二、應用場景
浙江大學醫(yī)學院附屬第Ⅰ醫(yī)院臨床藥學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值,包括早期藥物篩選、臨床Ⅰ期藥物試驗和精準用藥。
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)帶來殿覆性的變革,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HanryYu教授課題組建立了多通道的三維微流體系統(tǒng)應用于人體藥物測試。該系統(tǒng)同時在一個芯片內模擬肝、肺、腎和脂肪4種組織,研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)呈現(xiàn)出與單獨培養(yǎng)這些組織時不同的的特征,并貼近于體內真實情況??梢?,體外微生理系統(tǒng)可更真實地模擬體內環(huán)境,在不遠的將來成為動物實驗的有效替代手段。
其shou席科學家、杭州電子科技大學教授徐銘恩說,OrganTrial器官芯片的關鍵技術為MCT(離散制造微層析成像技術)、 Tissue Nest(組織巢)等,均為原創(chuàng)性技術。“生物3D打印技術出現(xiàn)后,能幫助科學家批量化地構建高仿生組織器官。3D打印器官芯片產品的出現(xiàn),更能幫助科學家構建微型化、多器官的仿生病理生理模型,加快研究節(jié)奏、推進技術在醫(yī)藥領域的應用?!毙煦懚鞅硎?。
據(jù)介紹,OrganTrial器官芯片包含兩個既獨立又可組合的模塊:Doloers模塊在一個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)展和學科的進一步交叉融合,有可能在體外生命系統(tǒng)工程領域(即生物制造的第5層次)產生殿覆性的突破。從技術發(fā)展趨勢來看,生物3D打印技術奠定了制造學從使用單一結構材料,到使用功能材料,生物材料和生命材料學科拓展延伸的科學基礎;干細胞技術和生物/生命材料的發(fā)展提供了必要的基礎材料。此前,由于不同的人體器官各有復雜之處,制造一種可以打印不同器官的材料吉具挑戰(zhàn)性。
RegenHU,一直致力于3D生物打印機的研發(fā)與生產,經過多年的經驗積累以及用戶需求的不斷升級,3D生物打印機經過多次的改進,目前設備主機具有5個帶完整功能的獨立機械臂的打印頭安裝位,并可在任意位置安裝不同技術的打印頭,每個打印頭可配置獨立的溫控系統(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計的需求。
目前RegenHU,運用了微流體技術DFM(Design for Manufacturability),其主要考慮到打印頭的運動方式、慣性、加速度等因素,以蕞大程度地減少打印頭的移動時間,從而縮短打印時間。
那么它具體的技術優(yōu)勢如下:
1、提高打印速度:通過優(yōu)化打印頭的結構和動作機制,可以減少打印過程中的空閑時間,提高打印速度。
2、提高打印精度:DFM考慮到打印頭的結構穩(wěn)定性、剛度和振動等因素,以減少振動和變形對打印精度的影響。通過優(yōu)化打印頭的設計,可以減小誤差,提高打印精度。
3、降低材料浪費:DFM可以優(yōu)化打印頭的噴嘴結構和材料供給機制,以減少材料的浪費。通過控制材料的流量和噴射方式,可以確保材料的準確使用,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,以提高設備的可靠性和穩(wěn)定性。通過選用高質量的材料、增強打印頭的結構強度和穩(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)化打印頭的設計,可以減少材料和能源的消耗,降低生產成本。DFM還可以減少廢品產生和后續(xù)處理的成本,提高生產效率。
綜上所述,DFM的作用是優(yōu)化打印頭的設計,以提高制造效率、質量和可靠性,并降低成本和材料浪費。它是3D打印過程中非常重要的一環(huán),能夠對整個打印過程產生積極的影響。
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