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3D打印之家
2015-08-13 18:04
源于器官培养的3D生物打印，目前已经可以打印出小型立体的细胞及复杂的组织，随著技术成熟与对移植器官的迫切需求，预估市场机会将在未来5年大幅提升，在2019年被广泛采用，客制化又将是改善医疗产业的潜力商机。 3D生物打印的发展，主要是为了解决移植器官不足的问题。 移植器官虽有使用人体干细胞培养的方式，且人体干细胞的研究一直推陈出新，但问题在于干细胞分化后，无法保证是否能形成器官该有的形状与结构，不确定性因素较多；3D生物打印使用「生物墨水」（bio-inks），亦即从病人的干细胞、或各种可以从身上取得再培养的细胞，经由3D生物打印设备自定义生成特定的细胞与组织，预期能解决人体干细胞分化不确定性的问题，但3D生物打印是使用生物墨水的方式，存在材料安全性、结构设计、细胞来源和血管结构等问题。 由于3D生物打印在开发过程中，急需工程及生物领域的配合进行，所以目前投入3D生物打印研究的公司及研究机构又可分为4个层面：软件开发、生产代工、材料供应及3D扫描。也由于对于精准度的严谨需求，3D生物打印在硬体设施的适用需求上更需注意。 例如，打印速度及制作过程需要缩短，避免打印出的组织因缺乏氧气及营养素而受损；并且打印出的生物组织将与自身人体组织直接接触，因此需要低毒性或消毒过程，避免造成污染。 由于3D生物打印存在材料安全性、结构设计、细胞来源和血管结构等问题，学术机构在积极投入研究后，近来陆续传出在材料与结构设计方面的研究新进展： 具弹性的复合式胶体材料「HA-pNIPAAM」 苏黎世联邦理工学院（ETHZ）的研究团队公布的他们开发的第一个具有弹性的3D生物打印材料，在软骨组织上将具有很高的应用潜力。有别于以往软骨制造方式的强度不足，ETHZ研究团队开发的新材料是具弹性的复合式材料，系天然骨组织和N-异丙基（N-isopropylacrylamide）、透明质酸的结合，形成HA-pNIPAAM胶体，可同时表现强固及柔软的特性，纾解并维持关节的正常运动。 热交换器-解决人造器官排热问题 不管是自然界或工程领域，都需要高效率的热交换及传导系统，人造器官也不例外。 由HRL Laboratories LLC开发的新型热交换技术，採用3D打印的光固化成型法来制造交换器的支架。支架由光敏聚合物构成，先均匀的涂布感光树酯后，再选择性的去除光敏聚合物，最后留下由聚对二甲苯聚合物（Parylene polymers）构成的热交换器。 此热交换器之器壁厚度仅1微米左右，透过加速热传导，达成热交换。HRL Laboratories LLC研究团队表示，这项技术未来将运用在人造器官中（如肺脏、肾脏），解决人造器官无法自行排热的问题，将使人造器官研究有突破性的发展。 制造层次较厚的组织 3D生物打印在应用上被限制于制造层次较薄的组织，这是因为制造较厚的组织时，常因为细胞遭遇氧气及营养不足的状况导致死亡。 所以哈佛大学研究团队提出多层次「生物墨水」（bio-inks）的概念，利用细胞外基质和活细胞的层状组合，打印出的小血管，其生物特性将更类似于原生组织，是最接近人体组织的印刷组织。 3D生物打印人造器官是积层制造在生医应用的最理想化目标，但是由于材料和制作过程上的限制，以及开发的高技术门槛，因此全球虽然有许多单位投入研究，实质进展仍有许多局限。 目前已经有学研单位针对制作局部组织一些项目进展，包括开发使用透明质酸为基材，添加bio-inks的复合新材料，或是朝向各项局部组织如血管、冠状动脉支架、皮肤等的开发。 但是这些产品在临床的实际使用上，仍需搭配各国卫生主管机关在上市和使用上的审核和环境规范，并针对产品的安全性和生物相容性进行评估标准的建立。因此3D生物打印未来的发展趋势及其改善医疗产业的潜力，将取决于产品应用的广度和环境建立的完善度。 我国目前在3D打印应用在硬组织方面则有阶段性进展，已有厂商进行骨科植入物的3D打印开发和制作。 |
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