3D生物打印器官芯片

一、发展背景

自3D打印技术问世以来，关于器官打印的研究不断升温，是3D打印领域的一个热门方向。目前，国内外药物开发现状是高投入、低产出、高风险、低效率，缺乏精准的筛选模型是困扰药物开发的瓶颈。个性化植、介入器械的生物3D打印技术重大专项是“国家重点研发计划”资助项目。瑞士regenHU是一家生物3D打印技术公司，自08年来，一直致力于为再生医学、生物材料、3D打印、组织构建以及新医疗难题提供解决方案。

3D生物打印是一个非常交叉和融合的学科，它集合了机械、材料、细胞等多种相关领域的技术，是一种利用3D增材制造原理，利用生物材料、生长因子、细胞等活性材料，以重建人体组织和器官为目标的跨学科、跨领域的新型再生医学工程技术。开始于20世纪80年代，至今已发展得较为成熟，有很大的市场前景，生物3D打印的发展空间巨大，源于三方面的原因：1)全球医疗领域的开支巨大，为生物打印技术提供了潜在的发展空间；2)生物打印技术以其快捷、准确性见长，以其个性化制造能力与病体需求的差异性充分结合，配合传统的CT、ECT技术在人工假体、人工组织器官的制造方面产生巨大的推动效应；3)生物3D打印相对其他领域的3D打印更具有经济性。

二、应用场景

浙江大学医学院附属第一医院临床药学研究中心教授申屠建中说，3D打印器官芯片对药物不同开发阶段都具有很大的价值，包括早期药物筛选、临床Ⅰ期药物试验和精准用药。

器官芯片和类人芯片从根本上改变药物检测的手段，并为新药研发带来颠覆性的变革，成为癌症、肿瘤等疾病研究新的手段和治疗方法。例如，新加坡国立大学HanryYu教授课题组建立了多通道的三维微流体系统应用于人体药物测试。该系统同时在一个芯片内模拟肝、肺、肾和脂肪4种组织，研究发现该系统呈现出与单独培养这些组织时不同的的特征，并贴近于体内真实情况。可见，体外微生理系统可更真实地模拟体内环境，在不远的将来成为动物实验的有效替代手段。

其首席科学家、杭州电子科技大学教授徐铭恩说，OrganTrial器官芯片的关键技术为MCT(离散制造微层析成像技术)、 Tissue Nest(组织巢)等，均为原创性技术。“生物3D打印技术出现后，能帮助科学家批量化地构建高仿生组织器官。3D打印器官芯片产品的出现，更能帮助科学家构建微型化、多器官的仿生病理生理模型，加快研究节奏、推进技术在医药领域的应用。”徐铭恩表示。

据介绍，OrganTrial器官芯片包含两个既独立又可组合的模块：Doloers模块在一个微流控体系中集成了小肠/皮肤、肝和肿瘤等组织，可仿真药物在人体的吸收、代谢及对靶标组织的作用；Hive模块则具有更高灵活度，用户可基于蜂巢型器官芯片单元，像玩“乐高”一样搭建更复杂的组织器官芯片系统。

三、生物3D打印发展趋势

随着生物3D打印的发展和学科的进一步交叉融合，有可能在体外生命系统工程领域（即生物制造的第5层次）产生颠覆性的突破。从技术发展趋势来看，生物3D打印技术奠定了制造学从使用单一结构材料，到使用功能材料，生物材料和生命材料学科拓展延伸的科学基础；干细胞技术和生物/生命材料的发展提供了必要的基础材料。此前，由于不同的人体器官各有复杂之处，制造一种可以打印不同器官的材料极具挑战性。

RegenHU，一直致力于3D生物打印机的研发与生产，经过多年的经验积累以及用户需求的不断升级，3D生物打印机经过多次的改进，目前设备主机具有5个带完整功能的独立机械臂的打印头安装位，并可在任意位置安装不同技术的打印头，每个打印头可配置独立的温控系统，提供直压、喷墨、高温、体积控制、光固化、静电纺丝等至少6种不同技术的打印头套组，以满足不同客户不同打印材料以及不同模型设计的需求。

目前RegenHU，运用了微流体技术DFM（Design for Manufacturability），其主要考虑到打印头的运动方式、惯性、加速度等因素，以最大程度地减少打印头的移动时间，从而缩短打印时间。

那么它具体的技术优势如下：

1、提高打印速度：通过优化打印头的结构和动作机制，可以减少打印过程中的空闲时间，提高打印速度。

2、提高打印精度：DFM考虑到打印头的结构稳定性、刚度和振动等因素，以减少振动和变形对打印精度的影响。通过优化打印头的设计，可以减小误差，提高打印精度。

3、降低材料浪费：DFM可以优化打印头的喷嘴结构和材料供给机制，以减少材料的浪费。通过控制材料的流量和喷射方式，可以确保材料的准确使用，并避免过度喷射和溢出。

4、提高可靠性和稳定性：DFM考虑到打印头的耐久性和稳定性，以提高设备的可靠性和稳定性。通过选用高质量的材料、增强打印头的结构强度和稳定性，可以减少打印过程中的故障和维修需求。

5、降低成本：通过优化打印头的设计，可以减少材料和能源的消耗，降低生产成本。DFM还可以减少废品产生和后续处理的成本，提高生产效率。

综上所述，DFM的作用是优化打印头的设计，以提高制造效率、质量和可靠性，并降低成本和材料浪费。它是3D打印过程中非常重要的一环，能够对整个打印过程产生积极的影响。