本文登于《3D打印商情》报第五期“陕西3D打印”专版

     增材制造（3D打印）在生物医学领域的应用前景很广阔，由此也形成一个新的学科方向——生物制造。目前这一独立学科分支迅速发展，其科学内涵逐渐明晰。其中，细胞三维受控组装被认为有可能解决传统组织工程的局限性、实现定制化人工假体和复杂器官人工制造的技术发展方向。

    生物制造是用生物材料或细胞和生物因子制造具有生物组织功能生物产品的过程。它利用先进的制造技术，结合生命科学原理，设计和制造生命或非生命生物组织或功能器官。

    生物制造对人类健康意义重大。生命与健康是人类社会的重要需求和社会文明的标志。长期以来，人们希望通过更换病变组织和器官提高生存质量，而社会人口老龄化和疾病患者年轻化使得组织器官供需矛盾日益尖锐。某些组织和器官的需求比例已达1:150，凸显出研发人体组织器官产品的必要性和迫切性。目前人造组织器官的产值约占全球生物医学工程产值的15%，其潜在市场高达4000亿美元。据美国食品与药品管理局预测，人体器官和功能组织替代物将在未来10年占据生物医学工程产业的50%。为此，世界许多国家都在积极制定针对人体组织与器官制造领域的中长期研究计划，为未来占领这一新兴产业发展制高点加强基础科学研究。如美国《2020年制造技术的挑战》将生物制造技术列为11个主要发展方向之一；日本机械学会技术路线图将微观生物力学对促进承载支持组织再生确定10个研究方向之一，其预测“2020年及以后，适合许多大型组织和器官再生的刺激条件得到明确”，藉此体现机械工程对再生医学治疗的贡献；中国机械工程学科发展战略报告(2011-2020)也明确将生物与仿生制造列为未来主要发展方向之一。美国科学基金会组织美国科学院、工程院、医学研究所撰写的《2020年制造业挑战的展望》中将生物组织制造作为高新科技主要方向重点支持。这显示美国在高科技前瞻性布局，并为其未来的经济竞争力铺垫基础。这一发展方向显示出了制造对象由传统的工业产品向生命体部件延伸的发展趋势，这将对生物医学技术的进步产生革命性的影响。

    我国加快发展生物制造产业势在必行。许多国家从组织和经费方面落实这一发展战略。例如，美国哈佛医学院与美国麻省理工学院合作成立了组织与器官研究中心，研究心脏、肝脏、皮肤、骨和膀胱等组织的生物组织与器官制造方法，并形成了在生物组织与器官制造研究领域的技术优势。2009年6月，英国Wellcome Trust宣布联合英国工程与自然科学研究理事会(EPSRC)在伦敦国王学院、牛津大学、帝国理工和里兹大学，花费5000万英镑建立4个生物医学中心，针对医学图像技术、个性化治疗、关节炎治疗和人工关节技术，从数学、物理、工程和医学交叉领域探索面向人类健康的个性化产品研究。全球有70多家公司从事生物活性组织与器官相关产品的制造。我国应紧跟这一发展趋势，及时跟进研究，满足未来社会发展和产业结构调整的需求，以自动化技术与装备，提高我国生物和生命高新技术产业发展的竞争力。

    生物组织制造需要理清发展途径。生物组织制造的发展主要体现在两个方面，一是从非活性替代物制造向活性生物组织和器官制造发展。例如现在的金属或陶瓷人工关节，未来向人工活性骨/软骨关节发展，目前的体外人工肝支持系统向体内肝组织制造研究发展，使得机械工程从过去的非生命体制造向生命体制造发展。制造技术不但要制造出组织和器官的外形，满足外形结构和力学性能的需求，还有制造出满足细胞与组织生长所需要的内部微结构，满足生命体生长的生物循环系统的需要。二是从批量制造向个性化制造。阿斯利康（全球领先制药公司）全球副总裁Anders Ekblom先生认为，个性化医疗将是未来很多医药公司的发展趋势，它能够帮助患者找到正确的治疗方案。例如人工关节置换，目前按照企业生产的型号给患者配置，但每个人的运动特征和生理特征有很大差异，导致治疗效果差异很大。个性化设计和快速低成本制造人工器官和手术器械是发展未来的发展方向，也是传统机械工程创新发展的新机遇。

    推进生物制造应用的三项制造技术

    制造技术对生命医学发展的支撑作用，生物组织与器官制造技术将从非生命假体、向简单生命体（活性骨为代表）和复杂生命结构体（肝组织为代表）发展。

    1. 植入式人工假体设计与制造技术。植入体内辅助假体，其特点是非活性体，以机械结构（例如骨板骨钉、人工关节、血管支架等）或机电系统（例如人工眼、人工耳蜗、人工心脏等）替代人体功能的作用。特点是用非活性材料制造组织或器官缺损的替代物。例如在人工眼的制造中，将让盲人受益。人工眼睛是在盲人的眼窝忠安装一个微型摄像机，其捕捉的外部景象形成图像，经无线发射器传送到患者眼球表面的人造视网膜上。这些图像再转换为电脉冲信号，人造视网膜上的电极会刺激视网膜的视觉神经，继续将脉冲信号沿视觉神经传送到大脑，使人可以看到物体。

    2．生物活性骨制造技术。生物活性骨是指通过骨支架设计制造以及细胞植入培养，植入人体后可以转化为人体自身骨骼的组织。制造活性组织是医疗临床的迫切需要。从目前的研究来看，面临的最大挑战是生物支架在植入体内后强度不足和骨转化速度低等问题，这些问题与骨支架的材料性能和三维结构设计相关。生物陶瓷或生物高分子材料是骨支架常用的材料，但是由于植入早期由于韧性不足导致支架失效。发展复合材料支架是解决这一问题的方向，包括金属与陶瓷材料复合结构、陶瓷与高分子材料或陶瓷与碳纤维复合结构，需要研究复合材料结构的性能优化设计方法，研究复合材料结构的快速制造方法。

    3．复杂内脏器官的设计与制造技术。内脏器官（心脏、肝脏、肾脏、肺等）结构更加复杂，例如肝组织具有多套循环网络系统，包括肝动脉、肝静脉、门静脉、胆管系统。复杂内脏器官再造要从简单组织向这样复杂器官的跨越，必须认识其中的科学机理，建立制造技术平台，构建器官生长环境。这就需要在更大的范围内，进行多学科交叉与融合研究，更长周期的投入和发展。研究复杂内脏器官仿生设计技术。认识微结构系统的功能与结构的关系。研究微结构制造技术与材料/细胞组装技术，根据对微结构组织和管道的设计要求，进行多基质和多细胞体系的受控组装制造，目前学术界研究热点的细胞三维打印技术有可能成为复杂组织制造的有效方法，此外，复杂组织要诱导细胞与基质材料作用转化成为相应的组织器官，这需要生物反应器控制培养环境。

    个性化是医疗产品的发展趋势，个性化组织与器官替代物具有巨大的市场商机，也是民生工程的重要方面，而增材制造技术是最佳的个性化制造工具，由此形成的生物制造方向已经成为多学科交叉的研究与应用领域，这是未来一个新兴产业。#p#分页标题#e#