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浙江3D产业园正式落成!(附十大临床应用与五大生物研究)

发布日期:2020-07-29 09:40:03 来源:蟠桃会

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导读:5月25日,浙江省3D产业园、杭州市3D打印创新中心在杭州正式宣布落成。浙江拥有规模最大的3D打印公司先临三维;覆盖工业、教育消费和生物医疗三大产业应用领域;具备材料、数据、设备到服务全产业链。如今,浙江3D产业园的落成意味着,在以先临三维为龙头的基础上,浙江省将形成3D打印产业集群效益,率先步入3D产业规模化发展阶段。随着3D打印越来越成熟与普及,本文也附上了3D打印临床应用的十大成功案例与科研领域的五所大神级研究机构。


5月25日,浙江省3D产业园、杭州市3D打印创新中心在杭州正式宣布落成。在国内3D打印市场,浙江一直走在全国先列:拥有规模最大的3D打印公司先临三维;覆盖工业、教育消费和生物医疗三大产业应用领域;具备材料、数据、设备到服务全产业链。如今,浙江3D产业园的落成意味着,在以先临三维为龙头的基础上,浙江省将形成3D打印产业集群效益,率先步入3D产业规模化发展阶段,力争成为国内最具影响力的3D产业高地。



自2015年以来,浙江3D打印产业在技术和应用上都有了跨越式的发展:在医疗领域,杭州捷诺飞生物科技有限公司总经理徐铭恩教授在2015年10月份刚刚宣布实现了肝单元的批量3D打印 ,成为了国内3D打印生物医学领域的领头羊。


在教育领域,先临三维已经提供了从桌面3D扫描仪、桌面3D打印机到3D课完整教育解决方案,并率先在省内300多所中小学以及高等院校开设了3D打印课程,并建立了3D打印实验室。


在互联网领域,通过先临三维的3D客数据平台和3D造打印平台,浙江省实现了互联网和3D打印的紧密结合。



在材料领域,杭州乐一新材料有限公司和浙江亚通焊材有限公司分别开展树脂和金属3D打印材料研发,为3D产业的发展提供可靠的上游产业链支撑。

在研究领域,浙江大学、杭州电子科技大学、杭州师范大学、浙江工业大学等高校纷纷建设3D打印实验室,为3D产业提供前沿技术研发。

随着浙江3D产业园的建设,以及社会、 政府对浙江3D打印产业发展的支持,3D打印产业将在未来几年内对浙江省的工业转型升级、大众创业、万众创新产生深刻的影响。

以浙江省为中心,3D打印技术将迅速辐射全国各地:目前先临三维已经在南京、温州、威海、珠海等多个城市构建了3D打印服务中心。随着浙江3D产业园的建立,全国各地将建立更多的3D打印服务中心,让工业企业以及创客能低成本、便捷地使用3D打印进行新产品开发和创业创新。

此外,以浙江省为开端,先临三维也将在全国各省市中小学以及高校引入3D打印,让学生能够通过自我设计和打印培育创新能力和动手能力,同时培育3D打印产品消费氛围,推动个性定制化3D打印产品走进千家万户,为社会经济带来新的消费增长点。


3D打印医疗临床应用十大成功案例



目前,3D打印技术已经在各个领域被广泛应用,将科技融入到日常生活,给普通人生活带来实实在在的改变。当3D打印技术以3D电影为先锋进行我们眼帘时,似乎瞬间3D电视、3D游戏、3D打印等以“3D”冠名新鲜科技词汇爆发,经过两三年的媒体炒作,如今3D打印技术在医疗方面的应用已经取得惊人的进展,让我们一起盘点3D打印在医疗临床的十大案例。


1、3D打印用于足踝手术手术风险降低

南京医科大学第一附属医院依靠3D打印技术,帮助一位患先天性马蹄内翻足的患者预先订制3D“病足模型”,医护人员从而精准判断病足情况,成功手术帮助患者康复回家。据悉,这是我国首次将3D打印技术应用于足踝手术。



足部是人体最精细的部位之一,结构复杂,仅骨头就有26块。以往医生诊断或制定手术方案,都是依赖影像诊断报告,但是涉及到足部等复杂部位,传统影像报告的局限性让医生眼见不一定为实。而用3D打印的方式将患者的病足打印出来,可以更加直观地帮助医生诊断和治疗。

2、“3D打印技术”进入先心病治疗

3D打印制造的人类骨骼组织,为越来越多的患者解除病痛。近日,复旦大学附属中山医院心外科课题组首次将3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术(TAVI),成功为一例77岁高龄的主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者实施了TAVI规划与导航。



3D打印技术则可将患者的二维影像数据转化成栩栩如生且实物大小的心脏模型呈现于医生眼前,并可提供更多传统影像学检查难以显示的丰富信息,从而将上述复杂过程大大简化和标准化,使得手术更准确安全。

3、3D技术应用于癌症切除(医疗前沿)



北京清华长庚医院首任执行院长董家鸿教授率领该院肝胆胰外科医师团队,利用3D打印技术,成功完成10例胆道癌症精准根治性切除。通过3D技术实现胆道癌症的精确根治性切除成为了我国首创。

4、3D打印钛合金肩胛骨假体



据香港《新报》4月16日报道,广东揭阳市一名27岁李姓女子,不幸患上入侵性巨大肩胛骨肿瘤,如不根治,恐要截肢。深圳市第二人民医院近日首次成功利用3D打印技术,精确制出钛合金肩胛骨假体,切除肿瘤后再将假体植入,让李女成为深圳第一名“铁肩女”。据悉,这次手术医疗花费约10万元人民币,李女本月初接受手术后,一、两天便可出院,预计半年后可完全恢复正常生活。

5、3D打印技术修复颌骨缺损



青年患者张先生因为下颌骨恶性肿瘤慕名来到武汉口腔医院口腔颌面外科就诊,该科主任医生李教授采用目前最先进的一款手术设计软件,术前在计算机上虚拟手术,设计肿瘤切除范围,与嘉一科技合作将3D打印技术同步设计和制作手术截骨引导板和颌骨重建引导板,成功为患者实施了右下颌骨切除术,同期取小腿腓骨精确重建下颌骨,术后患者面部外观和咬合功能非常理想,日前满意地出院了。

6、3D打印应用于牙科

从青岛口腔医院获悉,现今牙齿错颌畸形的发病率非常高,七成青少年牙齿存在畸形。该院正畸科专家高杨说,牙齿畸形不及时矫正容易诱发牙周病。



“如今,3D打印技术已经应用于正畸牙套制作。”高杨说,别小看了这个塑料牙套,它可是高科技产品。无托槽隐形矫治器就是3D打印技术的一种产品。首先,牙齿所有的位置信息通过扫描模型或者直接扫描牙齿,技师们就得到一套3D数字模型。然后,医生根据具体情况进行诊断和设计,决定每个牙齿最后应该在什么位置。技师再将所有中间过程细化为一个个小步骤,每一个小步骤牙齿的位置都有细微的差别,每一个步骤都对应一套3D数字模型。最后,将每一个步骤的3D数据打印出模型,再以这些模型为模板,打印出塑料牙套。

7、3D打印指导下先天性髋关节脱位全髋关节置换术



35岁王女士右髋关节疼痛,王女士慕名前来西安交大一附院就诊。经该院骨科的仔细诊查,确诊王女士属于“右髋关节先天性脱位”,右下肢较左下肢短缩6cm。经过周密的术前准备,在手术室、麻醉科的大力配合下,李曙明教授、杨益民主治医师等医护人员历时2小时,为张女士成功开展首例3D打印指导下成人先天性髋关节脱位全髋关节置换术,术后右下肢也恢复了与左下肢等长的长度。

8、3D打印矫形器会更加舒适体贴、效果更佳

通过在一些医生以及患者那里我们了解到,大多数患者在治疗过程中经常会面临矫形手段与辅助工具不能灵活调整的问题。患者在初次使用矫形器时常常感到不舒服,他们的脚从来没有真正与矫形器完全匹配。传统的矫形器使用石膏模具,其中有太多的估计的环节,导致矫形器的拟合效果差。



通常我们通过扫描仪对患者肢体进行高精度数字扫描,技术人员根据不同病人的特点,特定功能需求,进行数据处理,包括设计矫形器,调整修复三维模型,然后通过JOYE的专有软件为患者创建精确的数字三维模型,最后利用先进的3D打印技术制作出完全附和患者肢体的矫形器。

9、12岁男孩植入3D打印脊椎为全球首例

日前,北京大学研究团队成功地12岁男孩明浩身上植入了3D打印脊椎,这属全球首例。据了解,这位小男孩的脊椎在一次足球受伤之后长出了一颗恶性肿瘤。为了阻止癌细胞的扩展,医生不得不选择移除掉肿瘤所在的脊椎。不过这次的手术比较特殊的是,医生并未采用传统的脊椎移植手术,而是尝试先进的3D打印技术。


 


10、颅骨重建,3D打印钛网植入物

中国陕西西京医院的外科医生(西京医院整形外科颅颌面中心主任舒茂国教授、神经外科刘卫平教授主刀,眼科胡丹教授参与了此次手术)为中国的农民老胡打印了一个3D钛网植入物,用于治疗其从三楼坠落所致的左脑损伤。



此次事故严重损害了他的大脑,以致医生们不得不移除一块手机大小的颅骨。医生们希望该移植物能够帮助老胡的头部愈合,使其重获说话与书写能力。


五所3D生物打印大神级研究机构



3D打印是一项让人着迷的技术。因为它可以快速高效的制造出个性化的产品。随着打印技术的成熟,3D打印逐渐被引入到医疗行业,因为每年都有很多人在苦苦等待合适的组织和器官移植。


据Wohlers Associates统计,仅在2014年,3D生物打印在医疗行业的市场需求为5亿美元。在每年高达18%的复合年均增长率地推动下,预计到2022年,3D生物打印的市场规模将激增至18亿美元。高校和科研院所作为当今社会创新最活跃的组织机构,正在催生一场由3D生物打印引领的医疗革命。


1、Harvard University:开含血管组织3D打印先河


关于Harvard University,我想应该不用做太多的介绍,即使是今天要介绍的哈佛大学Wyss研究所,在业界也是大名鼎鼎。


在十余年之前,3D生物打印还没有现在这么火。那时候研究人员已经可以用3D打印机打印一些生物材料,但是他们打印的组织总是很薄(厚度大约为一角钱的三分之一),因为他们找不到在组织里面植入血管的办法。在这样的情况下,打印的组织稍微厚一点点,里面的很多细胞就会因为缺少营养物质,代谢产物无法排出,最终窒息或者毒发身亡。


哈佛大学Wyss研究所Jennifer A. Lewis实验室的研究人员率先解决了这个问题。Lewis带领的研究团队发明了一种新的3D打印方法,可以打印出布满血管,由多种细胞和细胞间质组成的组织。2014年2月,Lewis实验室的研究成果刊登在《Advanced Materials》上(1)



Jennifer A. Lewis


要打印出包含血管的模拟人体组织,打印材料是关键。Lewis研究团队开发了三种不同的“生物墨水”:固定细胞的细胞间质“墨水”;细胞间质和特定细胞混合成的“墨水”;以及为了生成血管而特制的“墨水”,这种墨水有一种特殊的性质,在低温的条件下会自动融解。



人工组织中细胞分布图


在将三种“墨水”在特定的程序下打印完毕之后,将人工组织置于低温条件下,此时那些为血管预留的位置就会逐渐融化开来,剩下的就是布满各种管道的组织。此时,Lewis研究团队会在管道中注入血管内皮细胞,这些细胞就会附着在通道内壁,重新发育成成熟的血管。至此,一个模拟人体组织的人工组织便形成了。




Lewis研究团队的研究成果让3D打印又往前走了一大步。Lewis的终极理想是打印出可以用于人体移植的器官,但是在当时的条件下,显然还有很长的路要走。但这并不妨碍Lewis将她的研究成果用于药物的研发。


2、Carnegie Mellon University:想要打印心脏和大脑


Carnegie Mellon University(卡内基梅隆大学,简称CMU),坐落在宾夕法尼亚州的匹兹堡,是一所美国著名的研究型大学。


当大部分研究人员都在研究如何打印骨骼、鼻子和耳朵的时候,来自CMU的Adam W. Feinberg研究团队却不满足于此,他们还想要打印心脏和大脑。



Adam W. Feinberg


Feinberg研究团队声称,他们已经能够利用冠状动脉的MRI影像以及胚胎心脏的3D图像,通过3D生物打印,以较高的分辨率和质量,将胶原蛋白、海藻酸盐和纤维蛋白等软材料,打印成无生物活性的动脉等。2015年10月Feinberg研究团队的3D打印研究成果刊登在《科学进展》上(2)




在不久的将来,Feinberg研究团队会把心脏细胞纳入这些3D打印组织结构,利用这个支架的帮助人工心脏形成具有收缩能力的肌肉。


3、University of California, San Diego:利用IPS细胞打印人工肝脏


University of California, San Diego(加州大学圣迭戈分校,简称为UCSD,又常译为加州大学圣地亚哥分校)是一所位于美国加州的著名公立大学。


1989年毕业于清华大学、现任职于UCSD的Shaochen Chen教授发现,获得FDA批准上市的药品的研发道路是极其曲折的,这中间一般需要12年的时间和18亿美元的资金投入。这主要是因为研究人员在研发药物时,没有合适的实验模型。



Shaochen Chen教授


所以Chen教授就想为那些药企制造模拟人体器官,希望能大幅降低药企研发成本,加快新药面市的进程。于是,Chen教授就带领团队开始了3D打印器官的研究。


今年2月份,Chen教授利用3D生物打印设备打印肝脏的研究论文刊发在《PNAS》上(3)。在Chen教授的人工肝打印中使用了诱导多功能干细胞(iPSCs)、诱导脂肪源干细胞和脐静脉内皮细胞,将这三种细胞联合打印,便可以形成模拟的人工肝。


4、Wake Forest University:全球首个动物体可存活3D打印耳朵


Wake Forest University(维克森林大学)建于1834年,是美国一所极富盛名的综合性研究大学,连续18年全美大学综合排名25名左右,素有“南哈佛”的美誉。由于该校对招收国际学生相当严格,故而在中国知名度较低。


对于3D生物打印器官而言,长久以来,一直困扰研究人员的一个问题是:如何让血液在打印的器官中流动,以保证打印器官中的细胞存活。


今年2月份来自Wake Forest University的Anthony Atala团队,为解决这一世界性的难题做出了巨大的贡献。他们的研究成果刊登在《自然生物技术上》(4)



Anthony Atala


Atala团队创建了一种新的打印模型(ITOP生物打印机),可以打印布满小通道的骨骼、肌肉和软骨组织,这种组织在植入小白鼠和兔子体内之后,通道里便可以长出血管,给打印的器官提供养分,维持器官的功能。


最让人兴奋的是,ITOP目前可以打印出可以在小鼠身上存活的耳朵。这表明Atala团队使用的“生物墨水”和ITOP制造的微型通道给打印器官成活提供了合适环境。




在研究中,Atala团队还在小鼠体内测试了ITOP打印的肌肉和颚骨,它们均能在小鼠体内形成血管和相应的软组织。目前ITOP打印技术还没有用于人体器官的打印,但是由于ITOP具有较强的适应性,下一阶段,Atala团队将利用ITOP开展人体器官打印研究。


5、University of Wollongong:手持式3D打印机


University of Wollongong(UoW,伍伦贡大学,曾用名:卧龙岗大学)建于1951年,位于澳大利亚新南威尔士州伍伦贡市,澳大利亚十大研究型大学之一。


UoW的Gordon G Wallace研究团队,联合墨尔本St. Vincent‘s医院联合开发了一台引领3D打印新变革的打印机。这台打印接很特别,因为确切的来讲它实际上是一支笔,一支可以完成3D打印的笔,它的名字叫3Doodler,长相如下图。




G Wallace带领的团队研发这支笔的初衷是:外科医生用这支笔将细胞直接“画”在受伤的骨头或者软骨上,以快速便捷地完成修复手术。目前3Doodler正在St. Vincent’s医院开展临床试验。



Gordon G Wallace


3Doodler的工作原理跟我们平时使用的自来水笔很类似。首选需要在笔内灌装藻酸盐和干细胞混合而成的“生物墨水”,然后3Doodler会将“生物墨水”喷在骨头上,这些覆盖在骨头上的“生物墨水”在3Doodler发出的UV光照耀下发生固化,此时那些干细胞就被固定在受伤的骨头上。这些干细胞在合适的条件下会增殖,并分化成神经细胞、肌肉细胞和成骨细胞。最终形成新的组织。



从Wallace今年3月份发表在《Biofabrication》的研究结果来看,目前3Doodler打印出来的细胞存活率高达97%以上(5)。如果这种生物打印笔取得临床成功的话,将是对软骨组织修复手术的一次改革。


从上面几所研究机构的代表性研究成果不难看出,从只能打印出没有生物功能的组织,到具备部分功能的组织,再到直接可以临床应用的手持式原位打印设备。在短短的数年之间,3D打印技术已经取得了长足的进步。


干细胞技术的引入,让“生物墨水”的功能变得更加强大,研究人员因此拥有了更多的想象空间。但它同时也给研究人员带来了一些挑战,因为控制干细胞的分裂和分化是一件不容易的事情。研究人员还需要做更多的动物实验,研究这些打印的组织到底能不能在动物体内安全持久的工作。


参考资料

1.Kolesky DB, Truby RL, Gladman AS, Busbee TA, Homan KA, Lewis JA. 2014. 3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs. Advanced Materials 26:3124-30

2.Hinton TJ, Jallerat Q, Palchesko RN, Park JH, Grodzicki MS, et al. 2015. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances 1:e1500758

3.Ma X, Qu X, Zhu W, Li Y-S, Yuan S, et al. 2016. Deterministically patterned biomimetic human iPSC-derived hepatic model via rapid 3D bioprinting. Proceedings of the National Academy of Sciences 113:2206-11

4.Kang H-W, Lee SJ, Ko IK, Kengla C, Yoo JJ, Atala A. 2016. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity. Nat Biotech 34:312-9

5.Cathal DOC, Claudia Di B, Fletcher T, Cheryl A, Stephen B, et al. 2016. Development of the Biopen: a handheld device for surgical printing of adipose stem cells at a chondral wound site. Biofabrication 8:015019


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