本文登于《3D打印商情》報第五期“陜西3D打印”專版

     增材制造（3D打?。┰谏镝t(yī)學領域的應用前景很廣闊，由此也形成一個新的學科方向——生物制造。目前這一獨立學科分支迅速發(fā)展，其科學內(nèi)涵逐漸明晰。其中，細胞三維受控組裝被認為有可能解決傳統(tǒng)組織工程的局限性、實現(xiàn)定制化人工假體和復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胞和生物因子制造具有生物組織功能生物產(chǎn)品的過程。它利用先進的制造技術(shù)，結(jié)合生命科學原理，設計和制造生命或非生命生物組織或功能器官。

    生物制造對人類健康意義重大。生命與健康是人類社會的重要需求和社會文明的標志。長期以來，人們希望通過更換病變組織和器官提高生存質(zhì)量，而社會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(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)學工程產(chǎn)值的15%，其潛在市場高達4000億美元。據(jù)美國食品與藥品管理局預測，人體器官和功能組織替代物將在未來10年占據(jù)生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)的50%。為此，世界許多國家都在積極制定針對人體組織與器官制造領域的中長期研究計劃，為未來占領這一新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點加強基礎科學研究。如美國《2020年制造技術(shù)的挑戰(zhàn)》將生物制造技術(shù)列為11個主要發(fā)展方向之一；日本機械學會技術(shù)路線圖將微觀生物力學對促進承載支持組織再生確定10個研究方向之一，其預測“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)機械工程對再生醫(yī)學治療的貢獻；中國機械工程學科發(fā)展戰(zhàn)略報告(2011-2020)也明確將生物與仿生制造列為未來主要發(fā)展方向之一。美國科學基金會組織美國科學院、工程院、醫(yī)學研究所撰寫的《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支持。這顯示美國在高科技前瞻性布局，并為其未來的經(jīng)濟競爭力鋪墊基礎。這一發(fā)展方向顯示出了制造對象由傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品向生命體部件延伸的發(fā)展趨勢，這將對生物醫(yī)學技術(shù)的進步產(chǎn)生革命性的影響。

    我國加快發(fā)展生物制造產(chǎn)業(yè)勢在必行。許多國家從組織和經(jīng)費方面落實這一發(fā)展戰(zhàn)略。例如，美國哈佛醫(yī)學院與美國麻省理工學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域的技術(shù)優(yōu)勢。2009年6月，英國Wellcome Trust宣布聯(lián)合英國工程與自然科學研究理事會(EPSRC)在倫敦國王學院、牛津大學、帝國理工和里茲大學，花費5000萬英鎊建立4個生物醫(yī)學中心，針對醫(yī)學圖像技術(shù)、個性化治療、關節(jié)炎治療和人工關節(jié)技術(shù)，從數(shù)學、物理、工程和醫(yī)學交叉領域探索面向人類健康的個性化產(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產(chǎn)品的制造。我國應緊跟這一發(fā)展趨勢，及時跟進研究，滿足未來社會發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求，以自動化技術(shù)與裝備，提高我國生物和生命高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的競爭力。

    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節(jié)，未來向人工活性骨/軟骨關節(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，使得機械工程從過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)和力學性能的需求，還有制造出滿足細胞與組織生長所需要的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，滿足生命體生長的生物循環(huán)系統(tǒng)的需要。二是從批量制造向個性化制造。阿斯利康（全球領先制藥公司）全球副總裁Anders Ekblom先生認為，個性化醫(yī)療將是未來很多醫(yī)藥公司的發(fā)展趨勢，它能夠幫助患者找到正確的治療方案。例如人工關節(jié)置換，目前按照企業(yè)生產(chǎn)的型號給患者配置，但每個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。個性化設計和快速低成本制造人工器官和手術(shù)器械是發(fā)展未來的發(fā)展方向，也是傳統(tǒng)機械工程創(chuàng)新發(fā)展的新機遇。

    推進生物制造應用的三項制造技術(shù)

    制造技術(shù)對生命醫(yī)學發(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、向簡單生命體（活性骨為代表）和復雜生命結(jié)構(gòu)體（肝組織為代表）發(fā)展。

    1. 植入式人工假體設計與制造技術(shù)。植入體內(nèi)輔助假體，其特點是非活性體，以機械結(jié)構(gòu)（例如骨板骨釘、人工關節(jié)、血管支架等）或機電系統(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微型攝像機，其捕捉的外部景象形成圖像，經(jīng)無線發(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，人造視網(wǎng)膜上的電極會刺激視網(wǎng)膜的視覺神經(jīng)，繼續(xù)將脈沖信號沿視覺神經(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骨支架設計制造以及細胞植入培養(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。從目前的研究來看，面臨的最大挑戰(zhàn)是生物支架在植入體內(nèi)后強度不足和骨轉(zhuǎn)化速度低等問題，這些問題與骨支架的材料性能和三維結(jié)構(gòu)設計相關。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致支架失效。發(fā)展復合材料支架是解決這一問題的方向，包括金屬與陶瓷材料復合結(jié)構(gòu)、陶瓷與高分子材料或陶瓷與碳纖維復合結(jié)構(gòu)，需要研究復合材料結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化設計方法，研究復合材料結(jié)構(gòu)的快速制造方法。

    3．復雜內(nèi)臟器官的設計與制造技術(shù)。內(nèi)臟器官（心臟、肝臟、腎臟、肺等）結(jié)構(gòu)更加復雜，例如肝組織具有多套循環(huán)網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括肝動脈、肝靜脈、門靜脈、膽管系統(tǒng)。復雜內(nèi)臟器官再造要從簡單組織向這樣復雜器官的跨越，必須認識其中的科學機理，建立制造技術(shù)平臺，構(gòu)建器官生長環(huán)境。這就需要在更大的范圍內(nèi)，進行多學科交叉與融合研究，更長周期的投入和發(fā)展。研究復雜內(nèi)臟器官仿生設計技術(shù)。認識微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)的關系。研究微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與材料/細胞組裝技術(shù)，根據(jù)對微結(jié)構(gòu)組織和管道的設計要求，進行多基質(zhì)和多細胞體系的受控組裝制造，目前學術(shù)界研究熱點的細胞三維打印技術(shù)有可能成為復雜組織制造的有效方法，此外，復雜組織要誘導細胞與基質(zhì)材料作用轉(zhuǎn)化成為相應的組織器官，這需要生物反應器控制培養(yǎng)環(huán)境。

    個性化是醫(yī)療產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，個性化組織與器官替代物具有巨大的市場商機，也是民生工程的重要方面，而增材制造技術(shù)是最佳的個性化制造工具，由此形成的生物制造方向已經(jīng)成為多學科交叉的研究與應用領域，這是未來一個新興產(chǎn)業(yè)。#p#分頁標題#e#