四家非典型3D生物打印公司解读：除了复制外壳，更需要功能性“内核”

在多学科的融合之下，精准医疗正在到来。作为对精准医疗领域做出直接贡献的重要角色，分子遗传学和生物细胞学在3D生物打印方面也发挥着重要作用。

在3D生物打印中，分子遗传学和细胞生物学与机械工程技术结合，可以精准打印出器官模型，用来加速药物开发、检测药物疗效以及作为可植入的组织或器官等。全球首家微流控+3D生物打印公司

全球首家微流控+3D生物打印公司

“相比结构，我们更注重功能。”Aspect Biosystems（下称“Aspect”）创始人兼首席执行官Tamer Mohamed说，“我们不一定要创造出和人体内组织（器官）相似的结构。”

Aspect Biosysterns是加拿大一家3D生物打印公司，采用微流控技术（一种精确控制和操控微尺度流体的技术）进行生物打印，于2013年从不列颠哥伦比亚大学独立出来。

“使用微流控技术进行3D打印灵活性极高，”Mohamed举例说，采用微流控技术可以将所有颜色组合起来，通过工程设计技术，实现生物打印。为了将丰富的颜色应用到生物打印中，设备的微流控打印头采用集成的阀门系统，可以精确控制不同颜色或材料的出料顺序。

除了精确构建人体器官模型，Aspect生物打印的模型也具有特定的功效。

该公司正在开发一种可实现胰岛B细胞功能的植入物，以检测I型糖尿病患者的葡萄糖指标，并产生胰岛素。

这种植入物由胰腺细胞3D打印而成，外面会包裹一个保护层，使其隐藏于异源细胞之中。这种保护层必须由非免疫原性材料构成，并且需要具有足够的强韧性以在患者体内留存数年。

为了制造胰腺细胞，Aspect已经与英属哥伦比亚大学细胞学与生理科学教授TimothyKieffer博士达成合作，Kieffer博士开发的用干细胞分化成胰岛B细胞的有效方案将用于Aspect的3D打印之中。

人类多能干细胞具有分化为不同类型的功能细胞的能力，但这同时也存在着癌变的风险。因此，Aspect生物打印机会把所有需要的材料（细胞）分开放置，确保”在出现任何差错的时候，轻松移除细胞”，阻断反应。

Mohamed断言，“我们是全球第一个、也是唯一一个将微流控技术与3D打印结合用于生物打印的团队。”

“打印器官”：用器官芯片检测药效

体外“打印器官”是3D打印提高精准医疗水平的另一种方式。

瑞士生物打印公司RegenHU正在研发器官芯片，并用器官芯片来测试风湿性关节炎药物的疗效。该公司已经加入由欧盟资助的新药测试项目——FLAMIN-GO。

其器官芯片可以涵盖关节环境中滑膜细胞、白细胞、血管、软骨、骨骼等很多不同因素之间的相互作用，“可以把患者自身细胞放到器官芯片中测试，找出最适合患者的药物，”RegenHU首席执行官simonMacKenzie博士表示。

RegenHUt在为该项目定制3D打印设备和软件系统，并为研究人员提供培训和技术支持。该公司最新的打印设备R-Gen100可以在保持细胞活性的同时提供高重复性、高精度的打印。

R-Gen 100有5个独立的插槽，每个插槽可以加入不同的材料且能分别设置不同温度。MacKenzie表示，“进行生物打印时，保持细胞温度是至关重要的。”

同时，也可以用不同的挤出技术对不同特性的材料进行打印。例如，机械活塞可能最适合粘性材料，而气动打印可以减少剪切力，并能提高微弱细胞的存活性。灵活性和系统的高精度结合在一起，可以使用户创造出由多种材料构成的复杂3D结构。

MacKenzie提到，“我们的许多客户正在尝试构建一些非常复杂的3D细胞模型，而我们可以根据客户不同的意愿进行定制。”

3D打印功能性血管

无论是学术研究还是工业制造，构建一个功能性器官都需要血液的供应。

“每个不同的组织都有独特的细胞成分”，Advanced Solutions的子公司AdvancedSolutions Life Sciences（ASLS）首席科学家James（Jay）Hoying博士说，“而几乎每个组织都有血管，那我们如何建立能够与构成组织的细胞协作的血液供应呢？”

为解决这一问题，Hoying开发了一种用脂肪组织生成血管的方式——Angiomics，“拿到脂肪，然后去除脂肪细胞”。

Hoying解释道，脂肪组织是高度血管化的，毛细血管遍布脂肪床，拿到毛细血管，并将它们击碎。当这些毛细血管回到组织环境中，将仍然具有生长为较大血管的能力。

“血管可以像在体内一样在培养皿中生长，”Hoying指出，对毛细血管附近的组织细胞进行生物打印，可以创造出一个新血管可以生长为组织的环境，建立可以供血液流动的血管系统。

他强调，在肿瘤模型的构建中，脉管系统是非常重要的，“要在体外尽可能多地捕捉肿瘤生物学信息，血液的供應很重要。”

ASLS把Angiomics和六軸3D打印硬件系统相结合，开发了人体肿瘤学评估（HumanOncology Personal Evaluation，HOPE）平台。

将患者的肿瘤复制出来，再结合功能性脉管系统，对各种药物的疗效进行测试，找出最适合患者的治疗方案。

另外，ASLS也在研发3D生物打印的可供移植的骨骼，其带有患者自身细胞的脉管系统。对患者受损骨骼进行断层扫描，设计出与患者解剖结构完全匹配的3D生物打印替代骨。目前，BioBonet在进行临床前测试。

ASLS的生物打印机已在世界各地的实验室中用于制造皮肤、角膜、胰腺和其他身体结构。

ASLS首席执行官Michael w.Golway表示，“将平台移交给可以将整个职业生涯都投入到某个特定器官的科学家，这是我们的战略之一。”“我们的目标就是为这些科学家提供加快生物打印从研发到临床应用的平台。”

第一家商业化”通用生物墨水”的公司

所有这些3D打印现象都要依赖由自然或者合成的聚合物组成的生物墨水，在打印过程中维持细胞活性。根据打印的具体需求，生物墨水可能需要促进细胞黏附、增殖或分化。

2016年，Cellink成为第一家将“通用生物墨水”商业化的公司。并且，其基于纤维素合成的生物墨水在去年获得了美国的专利。

cellink联合创始人兼首席执行官ErikGatenholm说：“这一领域要想真正起飞，需要一种可以确保可重复进行数据收集实验的标准化材料。”

坚固的、纤维状的纤维素是支撑软骨细胞的理想材料。其他组织类型在生物墨水中需要不同的特性，目前，Cellink提供一系列针对不同细胞类型的定制生物墨水，包括皮肤、骨骼、胰腺、血管组织和其他结构的细胞。

Gatenholm提到：“我们的生物打印专家把自然生物成分与合成成分按照特定配比混合，为不同的人类细胞提供理想环境。”目前，Cellink公司的技术已经覆盖65个国家/地区，为约1800个实验室提供打印机和生物墨水。

Cellink就开发应用程序与行业和学术界进行着紧密的合作，其已与阿斯利康合作开展多个项目，包括用于药物发现的生物打印肝脏类器官等。这些类器官由层粘连蛋白基生物墨水打印而成，可帮助创建自然的微环境以支持组织形成。

在乌普萨拉大学的另一个项目中，Cellink的生物墨水正被用于人类胰腺β细胞的生物印刷，生物打印的细胞已经成功地生长为功能性胰岛，并能生产胰岛素。

现在，CellinklE在演变为“生物融合公司”。除生物打印设备和生物墨水外，还集成了更广泛的技术来应对医疗保健方面的挑战。Gatenholm说，生物打印肿瘤可以进行多种疗法的测试，为了真正了解肿瘤、明白它是如何产生和扩散的，需要一种结合机器人、人工智能和大数据工具的技术。

活细胞数据分析工具就是一个例子，它可以监控肿瘤的生长并预测不同筛选化合物的有效性。

Gatenholm指出：“我们已经开发了许多不同的人工智能算法，可以用来确定肿瘤的生长速度等。”

可见，随着生物制造技术的进步，3D打印的细胞和器官已经从科幻小说变为现实。（摘自美《深科技》）（编辑/多洛米）