【高端演讲】杭州电子科学大学教授徐铭：Regenovo生物3d打印机

【导读】 在6月下旬，世界3d打印大会在青岛举行。南极熊3D打印网也到了现场进行了大量的报道，详情请看南极熊报道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南极熊作为一个3d打印的专业媒体平台，一直致力于推动中国3D打印行业的发展。希望下面的一些内容对大家有所启发。
张人佶：再一次感谢胡庆夕教授。下一个报告是徐铭恩教授，他是杭州电子科学大学教授、中国3D打印技术产业联盟副理事长。下面的报告大家压缩点时间，控制在一刻钟之内。   

    徐铭恩：大家上午好，下面由我来介绍一下我们的工作。首先介绍一下我们实验室，我们实验室是在2005年和清华大学合作一起成立的联合实验室，成立至今也有差不多9年了，我也是在清华大学开始我在生物3D打印技术领域的研究，张老师都是我非常尊敬的老师。

    Regenovo是我们近两年成立的公司，也希望给这个领域的科学家和医生提供一个系统化的解决方案。这是我们团队成员的情况，我们有一些生命科学领域的专家，也有计算机工程领域的、机械领域的专家，还有两位医生。

    整个生物3D打印是以计算机为基础，跟传统的3D打印相比，面向医学领域的3D打印，它用的材料和它最终的目的都不一样，所以也就产生了很多新的科学问题和技术问题需要解决。这个是Hod Lipson说的一句话，生物3D打印是3D打印技术最具潜力的应用领域。总结起来是三点，第一点是这个领域的市场规模特别大，第二点是这个领域对个性化制造的产品有非常强烈的需求，3D打印这种柔性化的制造技术在别的时候可能没有个性化需求，但是在医学领域非常多。还有就是医学产品是高附加值的，所以3D打印成本高，产品在医学领域可以卖得价格很高，所以没有问题。

    我们这个团队做的工作主要也是集中在这么三块地方，一个是生物3D打印设备，第二块是细胞3D打印技术，这个专门提出来讲，因为这块我们还是做了比较多的工作。第三个是生物3D打印在现有领域的应用。

    这个是我前前后后参与过的几个设备，这个是在清华大学参与开发的一个技术。这是我当时做的，用脂肪干细胞做的3D打印结构。这个是我当时在美国孙伟（音）教授实验室做的工作，这个是在一个普通的3D运行平台上，用一个气动的方式驱动。这是我们当时做的工作，给NASA做的人工肝脏的一个工作。这个是我们去年新做的一台设备，在做过几台设备之后，因为医生和搞生物科学的研究人对设备有他们特殊的需求，我们想能不能做出面向他们需求的设备，这个是我们做的。我们可以看到上面是在打印细胞，下面是在空中，这个是用生物材料凌空打印了一段弹簧。这个设备有这么几个特点，第一个是用固态的温控系统，保证了系统的小型化。第二是用双喷头，保证了可以用更多的材料进行生物3D打印。最后一个是面向医学和生物学应用的洁净化设计，我们整个系统保证尽量的能够光洁，能够自我清洁。

    然后我来介绍一下我们在细胞打印领域的工作。细胞打印能够做这个其实是有一个技术性的原理，自组织是一个很有意思的过程，怎么去调控它，有很多种方法，这里面有很多东西值得研究。这个是我们做的细胞组装过程当中解决的问题，一个是细胞成活率的问题。用一个设备把细胞打印出来是很简单的，但是想打出来是活的是很难的事情。活的很好解决，你要解决活的和这个结构至少能够维持一周以上，这是非常难的。我们一开始细胞存活率非常低，细胞在里面培养了三四天之后还都是一个个小圆球，如果一直保持小圆球，这个意味着细胞的活性是有问题的。看上面，如果细胞存活了，看右上那个图，细胞是会在材料中舒展开，它会跟边缘细胞抱起来形成一些结构。这个是存活后的。电子显微镜可以看到它会形成大量的纤维互相连接的结构。

    除了成活率这个问题，还有对细胞的调控。因为细胞是个活的东西，不是打印完了就行了。我们碰到这个问题，细胞在里面疯长，很多结构都是围绕功能设计的，你这样就没有意义了，所以还要控制细胞生长。还要控制细胞对这个结构的降解，因为我们所用的材料都是生物材料，细胞有时候会对材料进行降解。我们这方面做了好多年，逐渐的能够保证细胞存活，并且在里面长时间生长，最后细胞也能在里面进行比较好的可控性的分化。这是培养两周后的，我们所设计好的通道在里面都还保持着，绿色的都是细胞，都已经生长开了，和边上的细胞黏结在一起。

    这个通道表面的细胞呈一种特殊的分化状态，我们把它分化成了一个成熟的内皮细胞，内部的细胞呈现另外的状态。前面有个问题问打印之后材料内部的细胞怎么存活，我们知道营养物质和氧气的扩散可以扩散50微米，只要保证这个通道跟内部最深处细胞的距离不要超过50微米，就能保证内部细胞营养的提供了，这个是比较好的结果。

    总的来说，细胞3D打印有这么几个关键的问题。第一，打印对细胞的影响。除了我前面说的存活率，其实还有，比如说我们在美国的时候，我们在孙老师实验室，他对那个干细胞分化的影响，打印过程中产生的压力、压差对细胞的分化是有影响的。第二是结构的稳定性，一个东西打印出来，我们一开始最糟糕的情况是打印出来放到培养液中两个小时全部降解掉了，这个必须要长时间的维持，至少能维持到两周以上才有可能细胞分泌出来的蛋白把以前的蛋白替代掉，结构才能够保证下来。第三个就是细胞的诱导和调控，这个也很关键。因此细胞3D打印涉及设备、材料和对细胞调控的系统化技术，是一个非常系统的工程。

    在这个之后，这个是一个很基础的研究，我们要看一下生物3D打印技术现在有哪些应用。第一个应用是比较长远的应用，就是做人类组织器官的打印，然后是药物筛选领域，个性化医用植入等等。这个是人类组织器官衰老图，现在移植的需求非常大，在中国每年有150万患者需要移植，其中只有1万人可以等到器官，如果可以做出器官来，这是很有意思的工作。

    这个是我们做人工肝单元的工程，每一个功能结构跟它的功能都是有联系的，要搞清楚它们的关系，最后设计出我们所制造的肝单元可以打印出来的结构，将不同的细胞进行打印。打印完了之后也会有一个问题，比如说我们看中图这个东西就我们打出来的。结构设计得很巧妙，但是看不到里面打得怎么样，我们碰到这样的问题还是蛮多的，如果不能看到里面怎么样，很多实验没法往下做了。我们又提出要用一个光学的方法能够无损的检测到内部的结构，就是右上角的图，我们花了100多万做这个系统。最后我们做下来，细胞在里面生长非常良好。这是几个关键的功能，这个能维持八周以上。

    除了这部分工作以外，这个还要15到20年，也许要20年以后才能成功。这是我们做的比较多的工作，我们将这个技术用在药物的筛选上。现在在制药工业，一个新药开发完成大概需要8亿美元，费时10年。我们现在筛选的方法有问题，一种是体外的分子模型，这个有个问题，这种模型脱离了体内的整体环境。第二是用动物模型，动物跟人之间是有种间差的，动物身上有效果的药物到人身上未必有效果。我们提出用3D打印的技术来制造人工的这些组织器官，用人的细胞，最后做出来的系统可以用来药物筛选，可以弥补前面两个系统的毛病。

    这是做的第一个尝试，做代谢综合症的模型。因为代谢综合症包括肥胖、糖尿病、高血压、高血脂。病因是由于我们体内能量代谢调控系统出问题了，体内能量代谢调控主要是由脂肪和胰岛构成一个复杂的调控网络来进行调控。我们想尝试子体外构建这个系统，我们做了一个体外人工脂肪，然后再把胰岛放在特殊的位置，最后把这个系统做出来，用高浓度的葡萄糖来培养。

    其它的我们还建立了一些肿瘤的模型，还有一个肝脏药物的模型。除了这个以外，我们在这个过程中也发现可以控制细胞在里面的一些特异性的分化，比如说表面的细胞怎么分化，内部的细胞怎么分化，这也是一些自我组织的调控。可以发现这个模型能够非常好的仿真人类糖尿病胰岛素分泌的病理过程。我们也尝试把细胞打印在芯片上，把打印和芯片结合在一起。这个是我们的结果。

    除了这个以外，在这个领域，个性化的医用植物的3D打印也是非常有价值的。我们可以通过病人数据重建他的模型，用3D打印技术把它打印出来。这是我们把支架植入动物的数据，支架中设计的每个孔都有血管长进去了，保证了这个支架很好的血管化，保证了骨组织的生成。除了这个以外，我们做了通过病人数据重建之后来打印，医生可以通过这个模型进行手术方案设计和实际操作训练。这个是我们做的另外一部分工作，这个是动物实验，这个是一个下颚修复实验。

    除了这个以外，我们也可以做个性化假肢、假体的3D打印。这是我们做的一个手，大家在展会可以看到我们的手在展示，用3D打印技术做的，非常灵活，这个手可以给残疾人使用。所以3D打印也给很多研究提供了一些新的技术。

    因为我看到时间很紧了，我到这里就结束了。最后有个结语，这个领域我觉得有非常大的前景。但是器官的实现还要15年以上的时间，在药物开发和个性化医疗等领域可以应用。这个领域涉及很多方面的学科，所以说我希望我们大家可以一起合作，发挥各自的特长，互相支持，这样才能够推动3D打印技术更快的在生物医学领域的应用。谢谢大家。   

    互动：想请教一个问题，我们如果只是做比较薄的二维细胞打印，相对这个技术难度会低一些。但是当我们做生物结构体体积相对大的，含有多的活细胞结构体的时候，这个细胞被打进去以后，它的代谢问题。刚才虽然您讲了在50微米的范围它可以很好的代谢，但是如何保证在一个大体积的结构体内部形成有50微米的管道形成的网络结构，来保证这个细胞在结构体里很好的代谢存活？   

    徐铭恩：其实这也是3D打印的优势所在。我可以设计好所有的通道，然后保证这些通道到这个组织的各个位置，其它的制造技术也许制造不出来，但是3D打印技术可以保证这些通道全能够打印出来，液体能够从这些通道流过去，组织中的每一个细胞都能够得到养分，排掉废物。   

    互动：这种管状的这种结构，现在的3D打印技术，从现在可以看到的，您觉得什么样的设备可以实现这样的结构？   

    徐铭恩：这个可以做，因为100微米的通道用3D打印完全可以做得出来。我通道是100微米，50微米只是保证通道表面的面积跟材料深部细胞的距离不要超过50微米。