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』

Aspect Biosystems的RX1生物打印机

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 Biosystems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Timothy Kieffer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Simon MacKenzie博士表示。

RegenHU公司R-GEN100生物打印机

RegenHU正在为该项目定制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-Gen 100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

生物打印机

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Advanced Solutions 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，血液的供应很重要。”

ASLS把Angiomics和六轴3D打印硬件系统相结合，开发了人体肿瘤学评估（Human Oncology 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，BioBone正在进行临床前测试。

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

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Erik Gatenholm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生物打印机

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，Cellink正在演变为“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。