国产精品免费视频网站丨日韩a毛片免费观看丨欧美日韩中文在线不卡丨欧亚精品乱码久久久久久丨1000部夫妻午夜免费丨国产精品久久久久久久久一级无码丨日欧片内射AV影院频道丨97色伦图片 顏永年:3D打印生物制造上的發展方向
12月9日，以“全球經濟復蘇與制造業轉型”為主題的第六屆亞洲制造業論壇年會在北京隆重舉行，制造業的專家、企業巨頭共聚一堂，共商經濟低迷時期的制造業發展趨勢。10日，大會進入第二天議程，在下午3D打印技術產業板塊，就3D打印這一新興技術的產業化進行了深入探討。
清華大學教授、中國3D打印技術產業聯盟首席顧問顏永年對3D打印技術和生物制造、生物體和生命體制造的關系進行了詳盡介紹。
清華大學教授、中國3D打印技術產業聯盟首席顧問顏永年
以下為演講全文：
顏永年：各位來賓、女士們、先生們，下午好！我做報告的題目是“3D打印發展的方向”，應該說是一個重要的方向，我們叫它細胞3D打印，當然是不是一定用這個這個名字，為了符合今天大會的主題，所以又叫上了細胞3D打印，原來叫生物制造初探，做這個報告的有我和我的同事張教授。
內容有這么幾個方面，第一是談一談3D打印和生物制造有什么關系，第二個，生物體或者生命體的3D打印，第一部分講的是假體和組織工程，第二部分，我們講細胞3D打印，整個報告里面，這部分是重點。最后，談一談用3D打印的技術來完成生命體的制造，來完成醫學所需要的各種器件和器官的一些看法。
先談引言部分，我們把3D打印這個技術按材料分，可以分成三個方面。第一，就是用非金屬和非生物材料，這個材料既不是生物材料，也不是金屬材料，當然，很多的非金屬、非生命的材料，跟身體不相容的材料。第二是金屬材料，第三部分就是生物材料。按材料分，得到一個比較清晰的提綱，3D打印從一個新的角度來看。這個是從使能技術來看制造。虛線是信息流，實線是材料流，運動系統、使能系統這些都是相同的。什么是生命體的人工制造呢？什么是生物制造呢？從制造科學的角度來講，具有生物相容性材料，把這些材料進行3D打印，我們可以說就是生物材料的3D打印，它應該說是生命體的人工制造。但是這是一種，它是一種生命體的人工制造，而不是全部，生物制造應該有更廣泛的概念和內容。我們可以把生物制造分成三個大的方面，第一個方面是生物質，就是利用生物的過程釀酒，我們吃的醬豆腐等等，都是生物過程，它也是生物制造的一部分。仿生制造，就是模仿自然界的很多現象或者是結構來制造。第三是生物體制造，生物體制造又分了三個層次，假體的制造，細胞三維間接組裝制造和細胞三維的直接制造。這個生物制造概念這三個方面不是我提出來的，是美國的柏林格在提出來的，大家可以去查詳細的報告，但是它是很空泛的，沒有具體內容，具體內容我們一起來把它充實。
來談這三個層次，第一個層次是生物質，這是一個很古老的領域。現在還有很多學者把生物制造還限定在生物質制造，我覺得很遺憾，生物制造應該跳出生物質的范圍，它應該更擴大。第二是仿生制造，這是生物制造重要的組成內容之一，研究生物體和生命系統的行為、結構、機構等等，提出新的創造性的構想和原理。仿生制造應該可以說是最重要的科學原理之一。我們來看看顱骨，它不是整個骨頭，是26個骨頭片通過縫交錯結合起來，為什么它不是整個骨頭？對我們有什么意義呢？我們應該想到，哺乳類動物為什么找不到整個骨頭的，顱骨都是組裝起來的。無辜可以是這樣，但是它不是哺乳類動物。根據仿生學原理，承受剪切，不用鍵、銷、臺、代之由子件間的多峰結構，獲得巨大的抗剪摩擦力，克服子件的分離，發展出重型大型結合機構。這是4500噸的超中性結構，它是一塊一塊不用焊接、不用建、不用抬，就是這個多縫結構，在每個縫點上都有很高的應力，但是它是微米級的。這個在我們國家利用仿生的結構也是生物制造的一種類型，當然是低級狀態，做了4萬噸以下的液壓機已經做了5臺了，我們國家艦載機的起落架就是在4萬噸基礎上完成的。
第三個層次，就是生物體，或者我們叫生命體，具有生命的物體人工制造。生命這個詞實際上我們不是探討它本身哲學上的和生物學上的意義，我們是講具有生命的結構體。人類在探索自然之謎的同時一直在關注我們人類自己，我們從沒有放棄對人體結構的剖析，企圖修復損傷的組織，是否有一天人體的器官人工制造成為可能。現在我認為是完全可能的，離我們并不是非常遙遠。生命體的人工制造，可能嗎？我在學校開選修課，就提出了這個問題。如果生命體能人工制造，那么我們很多的器官都可以預先預制出來，生物制造是一個很新的學科，涉及到生物學、制造科學特別是3D打印，從寬泛的定義，包括了生物質制造、仿生制造和組織器官的制造，涉及到生物學、醫學、制造科學和技術均可視為生物制造。狹義的定義，就是運用現代制造科學和生命科學的原理和方法，通過材料單元和細胞單元的直接和間接受控組裝，完成器官假體和具有新陳代謝特征的生命體成形和制造，經培養和訓練，用以修復或替代人體病損組織。引言我就講到這里。
下面，我們談談生物體和生物制造的初級階段，就是假體和組織構成。假體很明顯，它是一種結構，它是從結構解剖學上的數據取下來，把這個數據通過我們的快速成形3D打印的數據處理系統變成文件，我們就可以操縱機器，它不植入體內，因而不需要生物的相容性，用以做輔助手術、手術的規劃等等。這個骨盆是我們學校跟第四軍醫大學合作的，這就是3D打印的作用，但是做得要大一些，1比1，有什么好處呢？我們就可以事先知道骨盆的破損情況和里面器官破損的位置在什么地方，以免在手術臺上打開它就錯位了，因為損傷之后不知道跑哪去了，這個就可以解決很多醫學上的問題。CAD模型到RP原型，我們打開這個模型就要一次成功。內耳道助聽器，激光掃描、芯片的設置，最后用SLS這種辦法做出來放到耳朵里面去。我們用牙醫的修復，清華大學的這個技術已經有一個產業化了，當然，最后也分開了，就是隱形牙矯正，通過石膏的掃描，這是數據，得到修復的東西。這個過程都是最后成形用3D打印做出來的，不需要裝鋼絲就可以矯正牙。
還有一種是體內假體，剛才說的假體都不需要放在體內，包括牙也是，口腔還屬于體外。假體可以放在體內，比如像關節、骨頭、顱骨、頜骨、人工血管等等，這些都是假體，它在身體里面不會變化，也不會降解，但是它有很重要的功能。比如說假耳，我們在老鼠的背上也做過這個耳朵，但是它是假的，它表面的皮膚是活的，但是里頭做的是3D打印出來的，用聚脂做出來多孔性的，最后長出來有彈性，它可以修復耳朵，如果這個缺損也可以修復，這是通過CT掃描核磁共振得出來的數據，最后把顱骨修好。
細胞間接三維組裝組織工程，是我們說的第二個層次，組織工程就是要做成一個支架，或者叫它基質，這個中心很復雜，多孔性，帶有梯度的結構，材料的梯度和結構的梯度它不是均值的，最后這個細胞在身體里降解消失掉，細胞占據的位置就成了一個軀干的部分，這個已經有了，很早就開始有組織工程，但是，跟3D打印結合之后，它得到一個很大的動力，因為我們能夠做出很精密的有材料梯度、由結構梯度的支架，設計以后制造用3D打印來做，誘導培育細胞，之后降解。所以，生物材料的3D打印是組織工程、載體支架和基質結構制造的最佳制造方法，所以我們應該發現一些適合于做組織工程支架的打印設備，3D打印，這是很大的一個市場。
細胞通過生物醫學方面能得到，要做這個支架比較復雜，它不是一般的材料，把細胞整合進去培養放在組織里。組織工程支架要求很高，要符合生物的安全，可降解，要有尺寸和可孔隙率等等，表面上有一定的理華性，另外它不會排斥。所以，有結構梯度、有材料梯度這種復雜的結構，用3D打印就能充分發揮它的優勢。3D打印的柔性和材料的多樣性以及結構高度的數字化的設計，都為組織工程支架制造提供一個優良的辦法。這是我們學校做出來的組織工程設計，這是多孔，從大孔到小孔。對于這種結構性的組織，什么叫結構性組織？就是皮膚、軟骨、肌肉、血管，結構很復雜，當然心臟結構也很復雜。結構性的組織在這個范圍，這些領域里面，已經取得了很大的進展，而皮膚已經達到商業化，不是現在至少5年前就商業化，做得最好的是麻省理工一個學機械的教授，因為他用3D打印技術。
骨組織工程，這是我們學校做的骨組織工程，用兩個噴頭來噴組織工程的材料，因為這個材料帶有材料的梯度。這是不同的顏色，代表不同的材料，PLA—TCP加上膠原達到80%—90%，通過調整環境和噴頭溫度，獲得不同的孔隙率，這在別的東西上很難做到，3D打印提供了這樣的解決辦法。這個可以看得出來，我們用兩個材料四個噴頭噴出來的支架，這個是最大的，這個差不多是10個毫米，這個大概有兩個毫米、一個毫米，這個是最大的孔，這個上面不是實心的，它也是小孔，我們把它放大看，最后到一兩個微米左右。這個也是納米纖維小球，都是為了各種骨組織，軟骨組織，讓它細胞適于在里面生長。兔的橈骨修復是和我們第四軍醫大學聯合的實驗，把橈骨切斷15毫米，這是狗的橈骨，然后把組織工程做的這個小塊，就是剛才說的多孔的，要有結構梯度的PLC做的放進去，通過24個禮拜的培養，可以看出來已經沒有黑色的部分了，骨頭越來越多，已經變白了。這個狗滿地跑，一共做了24條狗，100多條兔子，把骨頭切斷，用我們這個3D打印原理打印支架放進去做的。
血管是另外一個領域，做得很好，血管很復雜，分了四層，功能都不一樣。一個腎上的血管，動靜脈，這是老鼠的靜脈，很復雜，我們如果不用3D打印來做這個血管支架，大家可以設想用什么辦法呢？我們現在制造方法，哪一種方法可以做這個東西呢？我現在想，唯一的只有3D打印。我們做的血管也是模仿了它，是三層材料，內層和表面是一樣，中間層帶有更多的韌性，里面是多孔，而且達到微米級，大孔是毫米級。這個是用3D打印出來的支架，這是模型的示意圖，層級第一層材料，層級第二層材料，層級第三層材料，里面把它容到，就得到了符合的這種材料，把它再拿去培養，這個是多孔的，不是實心的。這是我們做的噴頭，打出來的材料，這是3D打印的流程，這上面沒有表現出來，它具有很好的力學性能，它有彈性、順應性、有一定的抗破壓，不會破裂。我們在兔子的動靜脈上也做了實驗，也是用這個辦法來做。
第三個層次，我認為我們把含有生命的比如說細胞，把它跟材料混合之后，用3D打印出來，我們會得到什么結果呢？那是比組織工程還要更加輝煌的引人入勝的結果。大家要問，組織工程挺好了，你為什么還要用3D打印的細胞的三維打印，簡單說一下細胞三維打印有什么工藝，怎么打印，第三個是我們現在取得了什么進展。組織工程它難以解決細胞的密度問題，我們要培養需要上億個細胞放到支架上去，但是組織工程的支架難以讓它均勻攤開，細胞的量不夠。第二，多種細胞要有特性的黏附和沉積的可操作性，用現在的方法還是有困難的。第三，支架在表面上長是單方面進去，而細胞應該是在三維環境成長。第四，往往是表面的細胞可以得到更多的營養，內層細胞營養不良。國際上很早就做出來了，但是層數多了，里面的就死了。所以說，我們需要新技術，直接把細胞采用3D打印把它打出來。
這是有一個人在2000年在Science上發表文章，他說由腎、肺等很多器官必須在一個合適的三維結構里面，要給它創造一個合適的三維結構，大量的細胞要進去，這就是我們追求的一個方向。這條技術路線，美國的薩克斯，他就是3D打印的猶太人，很早就做出來了。Clemson也是麻省理工的教授，他們也做了很多，還有Boland這個人，他的夫人是武漢人，他搞了3D組裝細胞，搞得很好。還有，還有用噴墨打印技術來做細胞打印，還有德國的這家公司，它叫生物繪圖。
這些東西最后歸納出來就是要分級結構，我們必須要有層級的結構，才能使營養能交換，排泄物能代謝出來，細胞持續生存，如果沒有這個層次就不可能。這個叫3D蜂窩結構，大概2、3毫米，這是網狀結構，它有幾十個上百個微米，這個點到幾個微米，這個絲組成了上面的棍，網上的一點就是它。所以，大家想一想，從這樣的結構，我們的傳統的層級方法能做出來嗎？做不出來。這就是蜂窩結構，這個就是網狀結構，這個叫單元結構，這三個結構我就不詳細講了。我們這種分級結構用3D打印來做，發揮了3D打印的作用，又把各種矛盾統一起來。要做這種微細的結構，我們3D打印的技術也要做相應的改進，可以沿著這四個方向去改進，我們用霧化的方式，可以用氣壓霧化、高壓霧化、超聲波霧化，也可以用連續噴射的辦法來做，還有按需分配，有很多辦法來做，3D打印的微噴射和微擠壓技術，都是很好的技術，這個是氣體霧化的一些辦法。這個是給它一個電脈沖，它去擠這個流體，這些點里面都能噴出東西來，當然這個流道是方的，不是圓的，這是液壓體，給它一個脈沖。這是壓電式噴頭結構示意圖，這是尖筆直寫，我們這個實驗室在這方面做了很多工作，它在微細加工上面還是很有用，這是我們的實驗室實驗裝置，這是尖筆直寫的實驗平臺，這是我們做的分級結構，這是絲的粗細程度，絲的直徑是100微米，這是50微米，做出來的結果非常的精細，這是堆出來的東西，這也是尖筆直寫的不同方案。微擠壓的特點也可以用來做，FDM工藝也可以做，我們國家的泰爾公司也可以拿它來做，還有金屬微粒發生裝置，這個爐子進行震動，顆粒當有磁場的時候可以偏轉，這也是一種技術，這個好像是斯坦福大學搞的。這個是BPM工藝，冰成形工藝很接近液體的成形，這是我們學校首創的工藝。分級溫控也是對骨組織工程非常有用，這個是復合噴射的辦法，就是剛才分級溫控，這個是用多個細胞源，用多噴頭的細胞打印，實際上最后的打印技術還是不同的微擠壓技術，這是一個公司做的示意圖，這是它的裝置圖，這是光繪圖工藝。這是細胞的低溫凝膠化成形，這三種材料我們要把它融合起來，通過噴頭、通過噴射、通過微擠壓、通過各種辦法，把它噴出一個結構出來，明膠在里面起了很重要的作用。這個是我們學校的多細胞組裝機，我們國內第一臺細胞組裝機就是我的學生做的，我們現在已經做了好幾種，最多可以是四種細胞同時組裝。這是一種鍵，蘸水筆的技術，現在用來做納米，很多納米技術，很多微納加工的技術，可以和我們3D打印結合起來，產生一些新的技術。
這是雙微滴噴射系統，這是Bioplotter工藝，在無菌環境里面，過濾壓縮，這個材料里面是含有細胞的。細胞3D打印在這個概念下發展得很多，這個是我們學校的第一臺細胞3D打印機，這是計算機系統，這是它的平臺。細胞微囊技術，微囊創造了一個很好的細胞環境，這是高的電壓，讓它拉出來，這是在靜電的作用下拉出來，還有一種叫做激光直寫，大家看這個圖，這個激光通過照到液體里去，通過力學分析可以算出來，這個直點沿著光束往前進，這個可以說是活的細胞，一顆一顆細胞進去排列起來，我們可以做一些醫學上很重要的用處，我們叫細胞芯片。這也是做細胞芯片的一些手段。這是美國的克萊姆森大學做的試驗，他是帶有光固化的材料，帶有明膠，細胞噴上去，鋪一次明膠，再打一層細胞，最后固化，細胞就在明膠里形成結構。這個就是紫外光曝光的技術，對細胞的損傷可能會有，我認為并不是非常好的技術，但是它可以做出很精細的結構，這個都是它的示意圖，這個是設備的圖，這個是它做用機心的細胞來做的結構。這個是它的設備，這個是我們學校做的細胞微滴組裝，這也是它的示意圖，它可以做到好幾個裝細胞的東西，這是打出來含有不同梯度的細胞的網格，它可以進行物質交換。這個是一些成果，用肝細胞、明膠、海藻酸鈉做出來的結構，這是用心肌細胞做的，我們把老鼠的心肌細胞堆積，這是心肌細胞體外培養的狀態，這是肝細胞，做的是3D打印培養的情況，具有肝功能的，我們拿到校醫院去檢測，它有肝功能。這是心肌細胞體外培養的情況，這個大家可以看它在動，我們學校培養出了這個心肌補片，它的厚度超過了國外的厚度，為什么？因為我們用了一個很好的三維結構，所以說把這個貼到心臟衰竭的病人身上去，可以幫助心臟的跳動，延長他的生命。
干細胞的三維組裝用處很大，我們用不同地方的干細胞都做過實驗，這是第二代細胞受控組裝機。這是多噴頭，兩個噴頭里面放了兩種細胞，在混合器里面混合噴射出來。這個是單種材料的很復雜的三維結構，這個是模擬細胞的梯度結構，怎么讓它按照我們要求的梯度去成形。
最后，我再談談一點感想。生物制造從生物質制造發展到仿生制造到生命體的制造，包括組織器官這種廣義的生物制造，是學科交叉、融合和發展，以及健康產業在國民經濟中比重增加的直接結果。上世紀80年代出現的組織工程由于和3D打印的結合，拓寬延伸到不同的領域里去，它是細胞生物學、材料科學和制造科學的最新交叉融合。基于3D打印技術的細胞三維受控組裝工藝，是生物制造中最為核心的技術，其目標為具有新陳代謝特征的生命體的成形和制造。細胞直接三維受控組裝，是其中最新的發展，使人類可以按照器官解剖學的數字模型，通過控制單個細胞和細胞團簇的3D組裝，最終實現可整合于人體新陳代謝系統，用于修復和替代病損組織和器官的人造器官。生物制造的出現克服了傳統組織工程的許多技術困難，使得人體組織和器官的再生手段大大豐富和加強。美國這個獲得諾貝爾獎的Gilbert預言，用不了50年，人類將能培育人體的所有器官。這個產業現在在美國已經興起，我這個PPT是三年以前的，它已經達到了40億美元的規模，很快超過了現在RP的規模。
科學院組織我們預測一下，寫一寫20年以后在生物制造上面會是什么樣的狀態。我是生物制造的負責人，我就寫了20年的遠景。第一，就是人工制造人體全功能內臟器官機理的闡明，就是具有人體內臟的器官，為什么我們人工能夠把它做出來，它的機理。現在應該說是從制造科學的這個角度、仿真學的角度等等，我認為還是沒有真正搞清楚，很多問題沒有搞清楚，全功能的內臟器官完全整合入人體相應的系統里面和結構、功能、壽命，與人體器官無異的復雜內臟器官，像心、肝、腎、肺。我們相信在未來20年內，我們應該很清楚的闡明它的機理，更深層次的生命科學與制造科學問題，分子與細胞層次的操控和組裝，不同細胞的精確三維排布希望得到更好的闡明。
第二是生物模擬系統，建立能模擬特定勝利系統機能的介于干細胞和人體之間的微笑生理系統單元。我們不是單個細胞，也不是人體，我們是把細胞組成一個小單元，有一定的功能模擬。比如是糖尿病，比如說某種癌癥，我們拿一定的細胞裝成這么一個結構，這個結構就是藥物的篩選和疾病機理研究提供了基礎。體外進行心、腎、肝、神經系統的研究，對具有復雜藥理活性的中國傳統中藥研究具有重大的應用價值和意義。配合基因芯片等生物信息分析技術，可以研究藥物對復雜疾病的藥理作用，并進行高效的藥物篩選。
組織工程體外的培養模型和制造的數據庫。因為我們有數字人體的模型，我們應該還有很多更進一步的模型。還有人體結構性的組織，比如皮膚、骨頭、軟骨，都是結構性的組織，這些應該廣泛的開發和應用，實用得到20年以后。
來源：賽迪網
相關關鍵詞：廣州圓豐自動化科技有限公司,3D打印,生物制造,顏永年