3D打印（又稱“增材制造”）已成為推動(dòng)新一輪技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的重要力量。生物醫(yī)療領(lǐng)域以其需求量大刹帕、個(gè)性化程度高渊涝、產(chǎn)品附加值高的特點(diǎn)，成為3D打印技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域抛计。目前哄孤，生物3D打印技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃、體外醫(yī)療器械嫡澄、齒科旅霍、金屬植入物等領(lǐng)域，未來(lái)將向可降解體內(nèi)植入物和3D打印生物組織/器官等方向發(fā)展崔狂。

一皿进、 生物3D打印內(nèi)涵和發(fā)展現(xiàn)狀

1.生物3D打印內(nèi)涵

生物3D打印是基于離散-堆積成形原理辕寺，以活細(xì)胞茶链、生物活性因子及生物材料的基本成形單元，設(shè)計(jì)制造具有生物活性的人工器官误扯、植入物或細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)颓之，融合了制造科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)，是一項(xiàng)具有交叉性和前沿性的新興技術(shù)骇瓦。生物3D打印技術(shù)主要包括3個(gè)技術(shù)范疇鹤梳。一是基于生物醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)重建或設(shè)計(jì)三維立體數(shù)字化模型并3D打印成形技術(shù)，可應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃庶咨、外科整形和手術(shù)導(dǎo)板等領(lǐng)域岁九，滿足個(gè)性化需求；二是基于仿生的多尺度生物復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模检碗，建立具有多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)据块，并滿足成形制造能力的生物系統(tǒng)模型；三是組織支架和類組織結(jié)構(gòu)體的生物制造技術(shù)折剃，包括基于生物材料3D打印的組織支架制造技術(shù)另假、基于直接細(xì)胞受控組裝的含細(xì)胞類組織結(jié)構(gòu)體的制造技術(shù)像屋、用于再生醫(yī)學(xué)和病/藥理學(xué)研究的細(xì)胞/器官打印技術(shù)和細(xì)胞/組織/器官-芯片制造技術(shù)等。

2.生物3D打印發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)可滿足個(gè)性化边篮、小批量己莺、大規(guī)模的醫(yī)療需求，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在體外醫(yī)療器械制造領(lǐng)域戈轿，現(xiàn)正向著個(gè)性化永久植入物凌受、臨床修復(fù)治療和藥物研發(fā)試驗(yàn)等領(lǐng)域擴(kuò)展，未來(lái)將致力于生物組織思杯、器官的直接打印胁艰。據(jù)Wohlers Associates統(tǒng)計(jì)顯示，2015年3D打印技術(shù)在全球范圍內(nèi)醫(yī)療/牙科領(lǐng)域的應(yīng)用量為12.2%智蝠，位列3D打印技術(shù)的第5大應(yīng)用領(lǐng)域腾么。

世界各國(guó)紛紛將生物3D打印技術(shù)作為未來(lái)戰(zhàn)略發(fā)展的重點(diǎn)方向，抓緊布局铭梯。2011年靡隔，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）立項(xiàng)支持工程制造三維人體組織結(jié)構(gòu)的體外平臺(tái)，包括循環(huán)巷同、內(nèi)分泌谆纸、胃腸道、免疫豁箱、外皮耻炕、肌肉骨骼、神經(jīng)归闺、生殖定邪、呼吸、泌尿系統(tǒng)10大生理系統(tǒng)临辨，并計(jì)劃將其用于體內(nèi)买臣。2016年，日本厚生勞動(dòng)省下屬的中央社會(huì)保險(xiǎn)醫(yī)療理事會(huì)筏拢，用于輔助醫(yī)療和手術(shù)的3D打印器官模型的費(fèi)用將屬于標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療保險(xiǎn)支付范圍术陶，推動(dòng)3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

我國(guó)高度重視生物3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展煤痕∥喙《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動(dòng)計(jì)劃（2015-2016年）》將醫(yī)療領(lǐng)域增材制造作為重要發(fā)展方向“诘铮科技部首先啟動(dòng)的“十三五”國(guó)家重大科技專項(xiàng)中塘匣，生物3D打印列入生物醫(yī)用材料研發(fā)與組織器官修復(fù)替代、干細(xì)胞及轉(zhuǎn)化研究、增材制造與激光制造等3個(gè)專項(xiàng)馆铁。

近年來(lái)跑揉，我國(guó)生物3D打印成果不斷獲得突破。2014年埠巨，清華大學(xué)機(jī)械系孫偉教授領(lǐng)銜的生物制造團(tuán)隊(duì)在世界上首次通過(guò)3D打印技術(shù)構(gòu)建出子宮頸癌Hela細(xì)胞體外三維腫瘤模型历谍，成果發(fā)表當(dāng)天獲得英國(guó)廣播公司（BBC）的直播視頻采訪。清華大學(xué)化學(xué)系劉冬生教授與英國(guó)瓦特大學(xué)Will Shu教授合作辣垒，首次實(shí)現(xiàn)了DNA材料的三維生物打印望侈，其合作成果共同發(fā)表于2015年自然雜志《Nature》，并作為學(xué)術(shù)亮點(diǎn)報(bào)道勋桶。北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)在仿生制造領(lǐng)域猛疗，包括仿生表面、仿生結(jié)構(gòu)等工作成果多次在《Nature》等國(guó)際期刊發(fā)表牛跷。

二定合、 生物3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、非均質(zhì)的復(fù)雜生物結(jié)構(gòu)成形制造叛榆，可應(yīng)用于體外醫(yī)學(xué)仿生模型喂惜、個(gè)性化植入器件、組織工程多孔支架以及細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)體的制造或構(gòu)建過(guò)程码遥，并在個(gè)性化診斷與治療服半、定制式醫(yī)療器械、再生醫(yī)學(xué)治療以及病理/藥理研究班粥、藥物開(kāi)發(fā)和生物制藥等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用滤灸。

1.應(yīng)用層級(jí)分類

根據(jù)材料的生物學(xué)性能和是否植入體內(nèi)，清華大學(xué)生物制造中心將生物3D打印技術(shù)分為5個(gè)應(yīng)用層次溜勃，并被業(yè)內(nèi)廣泛接受翁旁。

第1應(yīng)用層級(jí)是無(wú)需考慮生物相容性的非體內(nèi)植入物，用于3D打印成形個(gè)性化醫(yī)療器械和生理/病例模型玖瘸，主要應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃秸讹、假肢定制等領(lǐng)域。第2應(yīng)用層級(jí)是具有良好生物相容性材料的永久植入物的制造雅倒，應(yīng)用領(lǐng)域包括人造骨骼、非降解骨釘弧可，人工外耳蔑匣、牙齒等。第3應(yīng)用層級(jí)是具有良好生物相容性和可降解性生物材料的組織工程支架的制造棕诵。組織工程支架不僅需要具有良好的生物相容性裁良，能夠支持甚至促進(jìn)種子細(xì)胞的增殖分化和功能表達(dá)，同時(shí)支架材料需要適當(dāng)?shù)慕到馑俾剩谛陆M織結(jié)構(gòu)的生成后价脾，支架降解為可被體內(nèi)完全吸收或排除的物質(zhì)牧抵，應(yīng)用領(lǐng)域包括可降解的血管支架等。第4應(yīng)用層級(jí)是細(xì)胞3D打印技術(shù)侨把，用于構(gòu)建體外生物結(jié)構(gòu)體犀变。將細(xì)胞、蛋白及其它具有生物活性的材料作為3D打印的基本單元秋柄，以離散堆積的方式考叽，直接進(jìn)行細(xì)胞打印來(lái)構(gòu)建體外生物結(jié)構(gòu)體、組織或器官模型主渤。第5應(yīng)用層級(jí)是體外生命系統(tǒng)工程连碎。通過(guò)對(duì)干細(xì)胞、微組織瘪叉、微器官的研究弧哥，建立體外生命系統(tǒng)、微生理組織等药扒。體外生命系統(tǒng)工程的研究不僅使生物制造學(xué)科拓展到復(fù)雜體外生命系統(tǒng)和生命機(jī)械的構(gòu)建及制造返引，也是細(xì)胞3D打印、微納及微流控芯片技術(shù)勿玖、干細(xì)胞技術(shù)和材料工程技術(shù)等諸大學(xué)科的進(jìn)一步大交叉隔每。

2.應(yīng)用領(lǐng)域

目前，生物3D打印技術(shù)在前2個(gè)應(yīng)用層級(jí)獲得了一定應(yīng)用场比。在術(shù)前規(guī)劃領(lǐng)域贼酵，3D打印技術(shù)已經(jīng)幫助眾多醫(yī)生進(jìn)行了手術(shù)模擬，提升了手術(shù)效率和治療的成功率模庐。廣州邁普再生醫(yī)學(xué)科技有限公司根據(jù)患者醫(yī)學(xué)影像烛愧，利用3D打印技術(shù)為醫(yī)生提供了患者的頭頸部腫瘤模型，通過(guò)術(shù)前規(guī)劃助力手術(shù)獲得成功掂碱。湖南華曙高科技術(shù)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“華曙高科”）與中南大學(xué)湘雅醫(yī)院怜姿、長(zhǎng)沙市第三醫(yī)院合作，利用3D打印技術(shù)成功實(shí)施術(shù)前規(guī)劃疼燥、手術(shù)模擬等患者輔助臨床治療2000多例沧卢，手術(shù)時(shí)間可節(jié)約1/3以上，相關(guān)應(yīng)用技術(shù)已處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平醉者。

在體外醫(yī)療器械領(lǐng)域但狭，3D打印個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)板的應(yīng)用提高了治療成功率和手術(shù)精度，個(gè)性化矯形器械提升了矯正的效果撬即。中南大學(xué)湘雅醫(yī)院借助華曙高科的3D打印髖關(guān)節(jié)模型和3D打印髖關(guān)節(jié)截骨導(dǎo)板立磁，成功實(shí)施40多例髖關(guān)節(jié)置換術(shù)呈队，擺脫了該類手術(shù)對(duì)醫(yī)生臨床經(jīng)驗(yàn)的高度依賴，治療成功率達(dá)到100%唱歧。北京易加三維科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“易加三維”）采用數(shù)字化步態(tài)采集對(duì)患者足底數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)采集宪摧，結(jié)合3D打印設(shè)備制作矯形鞋墊，起到了良好的矯形效果烙凝。

在齒科領(lǐng)域连欲，3D打印義齒實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)種植，個(gè)性化矯正牙套提高了矯正的精度和牙套的美觀度婆掐。易加三維和北京三帝科技股份有限公司等利用激光選區(qū)熔化（SLM技術(shù)）生產(chǎn)的個(gè)性化義齒它蛔，提高了牙科植入物與患者牙床的貼合度。上海正雅齒科科技有限公司利用上海聯(lián)泰科技有限公司的SLA設(shè)備呜紊，為數(shù)萬(wàn)患者提供高效率首袍、高精度的3D打印隱形牙套定制服務(wù)。

在骨科領(lǐng)域碧碉，骨骼修復(fù)技術(shù)已趨于成熟衰呢，并在各大骨科醫(yī)院獲得普及。2015年7月炒肚，由北京大學(xué)第三醫(yī)院和北京愛(ài)康宜誠(chéng)醫(yī)療器材有限公司聯(lián)合研制的3D打印人工髖關(guān)節(jié)植入體獲得國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局（CFDA）批準(zhǔn)猪出，這是我國(guó)首個(gè)3D打印人體植入物。2016年7月酱赘，基于三維精準(zhǔn)構(gòu)建技術(shù)研發(fā)的脊柱椎間融合器正式獲得了CFDA批準(zhǔn)鬓催，這也是我國(guó)首例獲得CFDA上市許可的金屬3D打印椎間融合器產(chǎn)品。西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司生產(chǎn)的鈦合金肱骨恨锚、肋骨宇驾、關(guān)節(jié)補(bǔ)片等體內(nèi)植入物成功應(yīng)用于臨床，術(shù)后患者恢復(fù)情況良好猴伶。

對(duì)于后3個(gè)層級(jí)的應(yīng)用课舍，是未來(lái)生物3D打印技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)。清華大學(xué)機(jī)械系生物制造實(shí)驗(yàn)室率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展相關(guān)研究工作他挎，并取得了一系列進(jìn)展：針對(duì)關(guān)節(jié)軟骨損傷治療筝尾，基于低溫沉積三維制造的骨軟骨一體化支架在山羊體內(nèi)進(jìn)行了6個(gè)月的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，修復(fù)效果良好办桨；基于RP溶芯-涂覆工藝筹淫，實(shí)現(xiàn)了多層多分支血管支架的成形；可降解冠狀動(dòng)脈支架的3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了血管支架的個(gè)性化定制崔挖，即將開(kāi)展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)贸街；宮頸癌Hela細(xì)胞體外三維腫瘤模型的研究工作一經(jīng)發(fā)表，便獲得了英國(guó)廣播公司等權(quán)威媒體的高度關(guān)注狸相。此外薛匪，四噴頭生物3D打印設(shè)備和生物反應(yīng)器等領(lǐng)域的研究工作也取得了進(jìn)展。與此同時(shí)荡档，商業(yè)化生物3D打印公司也推出了相關(guān)產(chǎn)品腥默。2014年，美國(guó)Organovo公司宣布通過(guò)生物3D打印的肝臟exVive3D進(jìn)入上市前的臨床試驗(yàn)俭般，并計(jì)劃向醫(yī)藥公司出售3D打印肝臟匿微。上普國(guó)際生物科技股份有限公司，從事生物三維打印創(chuàng)新性裝備雕零、生物墨水和高級(jí)生物3D打印產(chǎn)品研發(fā)及在精準(zhǔn)醫(yī)療翎味、高端醫(yī)療器械、體外藥物篩選模型斟漏、個(gè)性化腫瘤治療和組織工程產(chǎn)品制造中的應(yīng)用民逾。捷諾飛生物科技股份有限公司3D打印肝單元組織制品Regen-3D-liver，已經(jīng)被Merck等制藥公司用于藥物臨床前篩選存研。

三垫凝、我國(guó)生物3D打印發(fā)展瓶頸

1.標(biāo)準(zhǔn)體系不健全

標(biāo)準(zhǔn)體系的缺失嚴(yán)重制約生物3D打印技術(shù)的應(yīng)用。雖然我國(guó)已提出3D打印領(lǐng)域的7項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)苦厅，但尚未建立起涵蓋設(shè)計(jì)仔戈、材料、工藝設(shè)備拧廊、產(chǎn)品性能监徘、認(rèn)證檢測(cè)等在內(nèi)的完整的3D打印標(biāo)準(zhǔn)體系，在生物3D打印領(lǐng)域更是欠缺吧碾，未能架起技術(shù)和產(chǎn)業(yè)銜接凰盔、應(yīng)用推廣的橋梁，減緩了產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程滤港。

2.醫(yī)療準(zhǔn)入制度門(mén)檻過(guò)高

醫(yī)療領(lǐng)域的市場(chǎng)巨大廊蜒，但準(zhǔn)入門(mén)檻過(guò)高很大程度上制約了生物3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前溅漾，3D打印體內(nèi)植入物的審批時(shí)間過(guò)長(zhǎng)山叮，獲得CFDA認(rèn)證至少需要3～5年時(shí)間，錯(cuò)失行業(yè)發(fā)展的機(jī)遇添履。以人工膝關(guān)節(jié)市場(chǎng)為例屁倔，每年大約15億元產(chǎn)值，5年的審批時(shí)間將使3D打印人工膝關(guān)節(jié)痛失75億的市場(chǎng)暮胧。

3.政策支撐力度不夠

目前蛹暗，美國(guó)、日本已經(jīng)將部分3D打印器械或植入物納入醫(yī)保報(bào)銷范圍磕泡，有力地推動(dòng)了3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用坑哥。在國(guó)內(nèi)痒蛇，雖然湖南省已經(jīng)率先將3D打印醫(yī)療手術(shù)模型相關(guān)內(nèi)容納入湖南省醫(yī)療服務(wù)收費(fèi)條目，并在湖南省重點(diǎn)醫(yī)院進(jìn)行試點(diǎn)推廣弦途，但由于國(guó)家相關(guān)部門(mén)沒(méi)有制定醫(yī)療3D打印技術(shù)應(yīng)用的具體規(guī)定俺下，醫(yī)院無(wú)法將3D打印醫(yī)療器械或體內(nèi)植入物等列入醫(yī)保收費(fèi)名錄。導(dǎo)致生物3D打印技術(shù)的應(yīng)用推廣進(jìn)程緩慢抡广，個(gè)別病例必須應(yīng)用3D打印相關(guān)產(chǎn)品時(shí)才由患者自行聯(lián)系定制生產(chǎn)预铁。此外，相關(guān)監(jiān)管措施的缺失公掰，也給行業(yè)發(fā)展帶來(lái)極大隱患簸翠。

四、生物3D打印發(fā)展趨勢(shì)

隨著生物3D打印的發(fā)展和學(xué)科的進(jìn)一步交叉融合虏丹，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)生顛覆性的突破蒋毕。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)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)材料色查，到使用功能材料薯演，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)材料秧了；細(xì)胞3D打印提供了核心制造手段跨扮；而微納技術(shù)、微流控芯片技術(shù)的集成可以制造高級(jí)仿生生物反應(yīng)器验毡，用于培養(yǎng)生命系統(tǒng)和生命機(jī)械裝置衡创。

1.3D打印干細(xì)胞和器官

基于細(xì)胞3D打印技術(shù)，利用胚胎干細(xì)胞晶通、誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）璃氢、新型生物墨水等細(xì)胞和生物活性材料，構(gòu)建心臟狮辽、肝臟一也、胰腺、子宮喉脖、肺等大型功能性組織及器官椰苟，是目前研究的前沿和熱點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)為生物制造復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)來(lái)模擬病理微環(huán)境帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)搂拴。未來(lái)有可能為再生醫(yī)學(xué)跷塘、腫瘤治療研究、新藥研發(fā)等領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性的影響锤勉。

2.3D打印體外微生理系統(tǒng)

體外三維組織/器官編碼模型及體外微生理系統(tǒng)是一個(gè)新興的研究理念和方向跋共，可更好地提高藥物測(cè)試的準(zhǔn)確性并縮短藥物開(kāi)發(fā)周期。該技術(shù)基于3D打印技術(shù)赵街、微制造技術(shù)等絮很，利用生物微流體技術(shù)在芯片上模擬器官的活動(dòng)和生理學(xué)特性捡奖。微流體技術(shù)不同程度地實(shí)現(xiàn)了心臟、肝臟奇忆、肺等系統(tǒng)的體外模擬桌蟋。器官芯片和類人芯片從根本上改變藥物檢測(cè)的手段巩烤，并為新藥研發(fā)帶來(lái)顛覆性的變革享处，成為癌癥、腫瘤等疾病研究新的手段和治療方法铡喊。例如喝撒，新加坡國(guó)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(cè)試。該系統(tǒng)同時(shí)在一個(gè)芯片內(nèi)模擬肝诅岩、肺讳苦、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)不同的的特征吩谦，并貼近于體內(nèi)真實(shí)情況鸳谜。可見(jiàn)式廷，體外微生理系統(tǒng)可更真實(shí)地模擬體內(nèi)環(huán)境咐扭，在不遠(yuǎn)的將來(lái)成為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的有效替代手段。

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