3D生物打印器官芯片的發展過程及應用介紹

一、發展背景

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，國內外藥物開發現狀是高投入、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學、生物材料、3D打印、組織構建以及新醫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學工程技術。開始于20世紀80年代，至今已發展得較為成熟，有很大的市場前景，生物3D打印的發展空間巨大，源于三方面的原因：1)全球醫療領域的開支巨大，為生物打印技術提供了潛在的發展空間；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

浙江大學醫學院附屬第一醫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，并為新藥研發帶來顛覆性的變革，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應用于人體藥物測試。該系統同時在一個芯片內模擬肝、肺、腎和脂肪4種組織，研究發現該系統呈現出與單獨培養這些組織時不同的的特征，并貼近于體內真實情況。可見，體外微生理系統可更真實地模擬體內環境，在不遠的將來成為動物實驗的有效替代手段。

其首席科學家、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，均為原創性技術。“生物3D打印技術出現后，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，更能幫助科學家構建微型化、多器官的仿生病理生理模型，加快研究節奏、推進技術在醫藥領域的應用。”徐銘恩表示。

據介紹，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。

三、生物3D打印發展趨勢

隨著生物3D打印的發展和學科的進一步交叉融合，有可能在體外生命系統工程領域（即生物制造的第5層次）產生顛覆性的突破。從技術發展趨勢來看，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極具挑戰性。

RegenHU，一直致力于3D生物打印機的研發與生產，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，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，以最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勢如下：

1、提高打印速度：通過優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、提高可靠性和穩定性：DFM考慮到打印頭的耐久性和穩定性，以提高設備的可靠性和穩定性。通過選用高質量的材料、增強打印頭的結構強度和穩定性，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處理的成本，提高生產效率。

綜上所述，DFM的作用是優化打印頭的設計，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，能夠對整個打印過程產生積極的影響。