近年來，隨著技術的發(fā)展，3D打印已率先在醫(yī)療領域獲得應用上的突破。這主要因為醫(yī)療行業(yè)（尤其是修復性醫(yī)學領域）個性定制化需求顯著，鮮有標準的量化生產(chǎn)，而個性化、小批量和高精度恰是3D打印技術的優(yōu)勢所在。

　　日前，杭州電子科技大學等機構的科學家在杭州發(fā)布了一款自主研發(fā)的生物3D打印工作站“Regenovo 3D bio-print WorkStation”。利用這款新的生物3D打印設備，科學家們“打印”出肝單元“Regenovo 3D Liver”。

　　這兩項研究成果獲得了包括院士在內的專家鑒定組的肯定，認為其不但推進了3D打印人工組織器官的研發(fā)進程，也為新藥篩選提供了全新的解決方案，將推動中國新藥創(chuàng)制與開發(fā)。

　　據(jù)了解，成人肝臟由50到100萬個稱作肝小葉的單元組成，肝小葉是肝結構和功能的基本單位，模仿肝小葉結構制備肝單元，是制造人工肝臟的關鍵步驟。

　　據(jù)該研究團隊負責人、杭州電子科技大學教授徐銘恩介紹，以往的生物3D打印設備是以工業(yè)需求為主，根據(jù)醫(yī)學等方向的需求進行調整，有別于此，該生物3D打印設備緊扣生命科學和醫(yī)學需求進行創(chuàng)新，自主構建和完善了整個技術平臺。例如，專門設計的生物架構師控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了專業(yè)面向生物醫(yī)學需求的打印控制，其多任務處理能力也為生物學研究提供了擴展平臺；相關的多噴頭系統(tǒng)，則可以實現(xiàn)8種不同細胞的同步打印與差異化控制。

　　借助于這套生物3D打印系統(tǒng)，承擔國家863計劃“面向快速修復及組織器官移植應用的系列生物3D打印技術和裝備開發(fā)”的浙江省醫(yī)學信息與生物三維打印重點實驗室，2015年實現(xiàn)了具有穩(wěn)定功能3D打印肝單元的批量生產(chǎn)。

　　探索生物3D打印奧秘的徐銘恩

　　打開電腦，找出一個鼻軟骨的三維模型，按下啟動鍵，與電腦相連的打印機噴頭擠出含有細胞的水凝膠來，一層置于另一層之上，不到一個小時，一個鼻軟骨就被“打印”出來了……這不是科幻電影，這臺神奇的打印機真實存在。

　　2013年8月，徐銘恩教授團隊發(fā)布了細胞組織3D打印機“Regenovo”，已成功打印出人類肝臟單元、血管，打印出的細胞存活率達90%，最長存活時間4個月，在生物材料兼容性、細胞打印特性等參數(shù)上在同類產(chǎn)品中處于國際領先水平。

　　高中時代的徐銘恩是物理學科的“學霸”。高二時，他的外公去世了。徐銘恩開始覺得“物理離生活有點遠”。高考報考時，他選擇的專業(yè)是“藥學”。此后的選擇，一直不離生命科學領域。2005年，徐銘恩在做博士后研究時，開始研究生物3D打印。8年間，太多次放棄的可能：研究初期，細胞死亡率很高，90%以上的細胞都無法存活，后來細胞存活率大幅度提高了，但打印出來的結構又堅持不了一周。等技術問題“過關”后，資金問題又接踵而來……

　　“這個時代，挫折多、誘惑也多，我想保持一個方向。”徐銘恩說，“理想不是掛在嘴邊說的，有時甚至可能忘記它還存在，但在人生無數(shù)次選擇的關口，理想就是關鍵的那枚砝碼。”

　　讀書時，徐銘恩一路名校：在浙江大學拿到藥學學士和生物醫(yī)學工程博士學位，在清華大學機械工程系完成博士后研究，又轉赴美國爵碩大學機械系“計算機輔助組織工程實驗室”做訪問學者。然而，在選擇工作機構時，面對包括兩所母校在內的多所名校的延請，他卻出人意料地“落戶”在浙江的一所省屬高校——杭州電子科技大學。

　　“我相信市場經(jīng)濟，相信創(chuàng)新的根本在于中小企業(yè)，所以長三角區(qū)域會是首選。”徐銘恩說，在杭州電子科技大學，“學校給我一小片自主空間，允許我靜下心來做。”在杭州電子科技大學，徐銘恩為本科生開設的公選課“生命科學導論課”連續(xù)多年被學生評為最好的公選課之一。學生們說：“徐老師能把枯燥的知識與有趣的實例相結合，想不感興趣都難。”

　　突破3D打印細胞營養(yǎng)輸送難題

　　浙江大學機械工程學院傅建中教授課題組開發(fā)出一種器官打印工藝，在打印組織結構的同時打印出內部的營養(yǎng)輸送通道，成功解決了3D打印細胞的營養(yǎng)維持問題。有了營養(yǎng)，細胞就能“活”得更久，這使得大尺寸器官3D打印成為可能。

　　器官打印，是用3D打印的辦法，將含細胞的生物墨水進行一層層的精確可控沉積，從而構造出含細胞的三維結構，在此基礎上進行后續(xù)培養(yǎng)，以獲得想要的組織。打印“活物”遠比打印一般的三維模型困難許多。“組織內遍布纖細的血管，它們是輸送營養(yǎng)的流道。我們要在體外重構這些‘血管’。”論文通訊作者賀永副教授介紹，這是3D打印的一個熱點問題。由于用來打印的凝膠材料非常軟，現(xiàn)有思路多為先打印組織，再構造流道的“二次打印”法，效果不夠理想。

　　課題組的思路，是同時打印組織結構和營養(yǎng)輸送流道——一次成型！在一次實驗中，他們偶然發(fā)現(xiàn)使用同軸噴頭擠中空凝膠絲時、擠出的兩條凝膠絲可以融合在一起，并具有一定的強度。“由于凝膠纖維內部是中空的，那應該能利用其進行營養(yǎng)輸送。”賀永說，受此啟發(fā)，課題組用了一年的時間，嘗試基于中空凝膠纖維進行器官打印。

　　一次成型的工藝是否可靠？賀永說：“除了在工藝上方便快捷之外，一系列實驗也證明了這一工藝的優(yōu)越性：流道不但能穩(wěn)定輸送營養(yǎng)，還能讓大分子營養(yǎng)物質滲透到細胞中去。”據(jù)介紹，這一方法還可廣泛應用于片上器官、凝膠基微流控芯片、細胞傳感器芯片、藥物篩選芯片等領域。

　　“3D打印”究竟是什么？

　　3D打?。?Dprinting）也稱為“增材制造（AdditiveManufacturing）”，它是新興的一種快速成型技術。與傳統(tǒng)的減材制造工藝不同，3D打印是以數(shù)據(jù)設計文件為基礎，將材料逐層沉積或黏合以構造成三維物體的技術。現(xiàn)代意義上的3D打印技術于20世紀80年代中期誕生于美國。CharlesHull（3DSystems公司的創(chuàng)始人）和ScottCrump（Stratasys公司的創(chuàng)始人）是3D打印技術的先驅人物。

　　以3DSystems和DTM公司為代表的一批美國中小科技公司在20世紀80年代末~90年代初相繼研發(fā)出立體光固成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）和熔絲沉積造型（FDM）等主流技術路線，經(jīng)過20多年的沉淀和不斷完善已經(jīng)日臻成熟。

　　3D打印與傳統(tǒng)制造業(yè)的最大區(qū)別在于產(chǎn)品成型的過程上。在傳統(tǒng)的制造業(yè)，整個制造流程一般需要經(jīng)過開模具、鑄造或鍛造、切割、部件組裝等過程成型。3D打印則免去了復雜的過程，無需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些傳統(tǒng)制造上無法達成的設計，制作出更復雜的結構。

　　目前，3D打印設備已經(jīng)廣泛地應用于航空航天、汽車、消費電子、工業(yè)、醫(yī)療、建筑等領域。功能也從最早的展示、教學拓展到工業(yè)模具的制造，乃至零部件的直接制造。隨著3D打印技術越來越成熟，它的應用范圍將越來越廣，未來將深刻地改變世界制造業(yè)的理念、方法和格局。