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清华大学教授、中国3D打印技术产业联盟首席顾问颜永年对3D打印技术和生物制造、生物体和生命体制造的关系进行了详尽介绍。
清华大学教授、中国3D打印技术产业联盟首席顾问 颜永年
以下为演讲全文：
颜永年：各位来宾、女士们、先生们，下午好！我做报告的题目是“3D打印发展的方向”，应该说是一个重要的方向，我们叫它细胞3D打印，当然是不是一定用这个这个名字，为了符合今天大会的主题，所以又叫上了细胞3D打印，原来叫生物制造初探，做这个报告的有我和我的同事张教授。
内容有这么几个方面，第一是谈一谈3D打印和生物制造有什么关系，第二个，生物体或者生命体的3D打印，第一部分讲的是假体和组织工程，第二部分，我们讲细胞3D打印，整个报告里面，这部分是重点。最后，谈一谈用3D打印的技术来完成生命体的制造，来完成医学所需要的各种器件和器官的一些看法。
先谈引言部分，我们把3D打印这个技术按材料分，可以分成三个方面。第一，就是用非金属和非生物材料，这个材料既不是生物材料，也不是金属材料，当然，很多的非金属、非生命的材料，跟身体不相容的材料。第二是金属材料，第三部分就是生物材料。按材料分，得到一个比较清晰的提纲，3D打印从一个新的角度来看。这个是从使能技术来看制造。虚线是信息流，实线是材料流，运动系统、使能系统这些都是相同的。什么是生命体的人工制造呢？什么是生物制造呢？从制造科学的角度来讲，具有生物相容性材料，把这些材料进行3D打印，我们可以说就是生物材料的3D打印，它应该说是生命体的人工制造。但是这是一种，它是一种生命体的人工制造，而不是全部，生物制造应该有更广泛的概念和内容。我们可以把生物制造分成三个大的方面，第一个方面是生物质，就是利用生物的过程酿酒，我们吃的酱豆腐等等，都是生物过程，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现象或者是结构来制造。第三是生物体制造，生物体制造又分了三个层次，假体的制造，细胞三维间接组装制造和细胞三维的直接制造。这个生物制造概念这三个方面不是我提出来的，是美国的柏林格在提出来的，大家可以去查详细的报告，但是它是很空泛的，没有具体内容，具体内容我们一起来把它充实。
来谈这三个层次，第一个层次是生物质，这是一个很古老的领域。现在还有很多学者把生物制造还限定在生物质制造，我觉得很遗憾，生物制造应该跳出生物质的范围，它应该更扩大。第二是仿生制造，这是生物制造重要的组成内容之一，研究生物体和生命系统的行为、结构、机构等等，提出新的创造性的构想和原理。仿生制造应该可以说是最重要的科学原理之一。 我们来看看颅骨，它不是整个骨头，是26个骨头片通过缝交错结合起来，为什么它不是整个骨头？对我们有什么意义呢？我们应该想到，哺乳类动物为什么找不到整个骨头的，颅骨都是组装起来的。无辜可以是这样，但是它不是哺乳类动物。根据仿生学原理，承受剪切，不用键、销、台、代之由子件间的多峰结构，获得巨大的抗剪摩擦力，克服子件的分离，发展出重型大型结合机构。这是4500吨的超中性结构，它是一块一块不用焊接、不用建、不用抬，就是这个多缝结构，在每个缝点上都有很高的应力，但是它是微米级的。这个在我们国家利用仿生的结构也是生物制造的一种类型，当然是低级状态，做了4万吨以下的液压机已经做了5台了，我们国家舰载机的起落架就是在4万吨基础上完成的。
第三个层次，就是生物体，或者我们叫生命体，具有生命的物体人工制造。生命这个词实际上我们不是探讨它本身哲学上的和生物学上的意义，我们是讲具有生命的结构体。人类在探索自然之谜的同时一直在关注我们人类自己，我们从没有放弃对人体结构的剖析，企图修复损伤的组织，是否有一天人体的器官人工制造成为可能。现在我认为是完全可能的，离我们并不是非常遥远。 生命体的人工制造，可能吗？我在学校开选修课，就提出了这个问题。如果生命体能人工制造，那么我们很多的器官都可以预先预制出来，生物制造是一个很新的学科，涉及到生物学、制造科学特别是3D打印，从宽泛的定义，包括了生物质制造、仿生制造和组织器官的制造，涉及到生物学、医学、制造科学和技术均可视为生物制造。狭义的定义，就是运用现代制造科学和生命科学的原理和方法，通过材料单元和细胞单元的直接和间接受控组装，完成器官假体和具有新陈代谢特征的生命体成形和制造，经培养和训练，用以修复或替代人体病损组织。引言我就讲到这里。
下面，我们谈谈生物体和生物制造的初级阶段，就是假体和组织构成。假体很明显，它是一种结构，它是从结构解剖学上的数据取下来，把这个数据通过我们的快速成形3D打印的数据处理系统变成文件，我们就可以操纵机器，它不植入体内，因而不需要生物的相容性，用以做辅助手术、手术的规划等等。这个骨盆是我们学校跟第四军医大学合作的，这就是3D打印的作用，但是做得要大一些，1比1，有什么好处呢？我们就可以事先知道骨盆的破损情况和里面器官破损的位置在什么地方，以免在手术台上打开它就错位了，因为损伤之后不知道跑哪去了，这个就可以解决很多医学上的问题。CAD模型到RP原型，我们打开这个模型就要一次成功。内耳道助听器，激光扫描、芯片的设置，最后用SLS这种办法做出来放到耳朵里面去。我们用牙医的修复，清华大学的这个技术已经有一个产业化了，当然，最后也分开了，就是隐形牙矫正，通过石膏的扫描，这是数据，得到修复的东西。这个过程都是最后成形用3D打印做出来的，不需要装钢丝就可以矫正牙。
还有一种是体内假体，刚才说的假体都不需要放在体内，包括牙也是，口腔还属于体外。假体可以放在体内，比如像关节、骨头、颅骨、颌骨、人工血管等等，这些都是假体，它在身体里面不会变化，也不会降解，但是它有很重要的功能。比如说假耳，我们在老鼠的背上也做过这个耳朵，但是它是假的，它表面的皮肤是活的，但是里头做的是3D打印出来的，用聚脂做出来多孔性的，最后长出来有弹性，它可以修复耳朵，如果这个缺损也可以修复，这是通过CT扫描核磁共振得出来的数据，最后把颅骨修好。
细胞间接三维组装组织工程，是我们说的第二个层次，组织工程就是要做成一个支架，或者叫它基质，这个中心很复杂，多孔性，带有梯度的结构，材料的梯度和结构的梯度它不是均值的，最后这个细胞在身体里降解消失掉，细胞占据的位置就成了一个躯干的部分，这个已经有了，很早就开始有组织工程，但是，跟3D打印结合之后，它得到一个很大的动力，因为我们能够做出很精密的有材料梯度、由结构梯度的支架，设计以后制造用3D打印来做，诱导培育细胞，之后降解。所以，生物材料的3D打印是组织工程、载体支架和基质结构制造的最佳制造方法，所以我们应该发现一些适合于做组织工程支架的打印设备，3D打印，这是很大的一个市场。
细胞通过生物医学方面能得到，要做这个支架比较复杂，它不是一般的材料，把细胞整合进去培养放在组织里。组织工程支架要求很高，要符合生物的安全，可降解，要有尺寸和可孔隙率等等，表面上有一定的理华性，另外它不会排斥。所以，有结构梯度、有材料梯度这种复杂的结构，用3D打印就能充分发挥它的优势。3D打印的柔性和材料的多样性以及结构高度的数字化的设计，都为组织工程支架制造提供一个优良的办法。 这是我们学校做出来的组织工程设计，这是多孔，从大孔到小孔。对于这种结构性的组织，什么叫结构性组织？就是皮肤、软骨、肌肉、血管，结构很复杂，当然心脏结构也很复杂。结构性的组织在这个范围，这些领域里面，已经取得了很大的进展，而皮肤已经达到商业化，不是现在至少5年前就商业化，做得最好的是麻省理工一个学机械的教授，因为他用3D打印技术。
骨组织工程，这是我们学校做的骨组织工程，用两个喷头来喷组织工程的材料，因为这个材料带有材料的梯度。这是不同的颜色，代表不同的材料，PLA―TCP加上胶原达到80%―90%，通过调整环境和喷头温度，获得不同的孔隙率，这在别的东西上很难做到，3D打印提供了这样的解决办法。这个可以看得出来，我们用两个材料四个喷头喷出来的支架，这个是最大的，这个差不多是10个毫米，这个大概有两个毫米、一个毫米，这个是最大的孔，这个上面不是实心的，它也是小孔，我们把它放大看，最后到一两个微米左右。这个也是纳米纤维小球，都是为了各种骨组织，软骨组织，让它细胞适于在里面生长。兔的桡骨修复是和我们第四军医大学联合的实验，把桡骨切断15毫米，这是狗的桡骨，然后把组织工程做的这个小块，就是刚才说的多孔的，要有结构梯度的PLC做的放进去，通过24个礼拜的培养，可以看出来已经没有黑色的部分了，骨头越来越多，已经变白了。这个狗满地跑，一共做了24条狗，100多条兔子，把骨头切断，用我们这个3D打印原理打印支架放进去做的。
血管是另外一个领域，做得很好，血管很复杂，分了四层，功能都不一样。一个肾上的血管，动静脉，这是老鼠的静脉，很复杂，我们如果不用3D打印来做这个血管支架，大家可以设想用什么办法呢？我们现在制造方法，哪一种方法可以做这个东西呢？我现在想，唯一的只有3D打印。我们做的血管也是模仿了它，是三层材料，内层和表面是一样，中间层带有更多的韧性，里面是多孔，而且达到微米级，大孔是毫米级。这个是用3D打印出来的支架，这是模型的示意图，层级第一层材料，层级第二层材料，层级第三层材料，里面把它容到，就得到了符合的这种材料，把它再拿去培养，这个是多孔的，不是实心的。这是我们做的喷头，打出来的材料，这是3D打印的流程，这上面没有表现出来，它具有很好的力学性能，它有弹性、顺应性、有一定的抗破压，不会破裂。我们在兔子的动静脉上也做了实验，也是用这个办法来做。
第三个层次，我认为我们把含有生命的比如说细胞，把它跟材料混合之后，用3D打印出来，我们会得到什么结果呢？那是比组织工程还要更加辉煌的引人入胜的结果。大家要问，组织工程挺好了，你为什么还要用3D打印的细胞的三维打印，简单说一下细胞三维打印有什么工艺，怎么打印，第三个是我们现在取得了什么进展。组织工程它难以解决细胞的密度问题，我们要培养需要上亿个细胞放到支架上去，但是组织工程的支架难以让它均匀摊开，细胞的量不够。第二，多种细胞要有特性的黏附和沉积的可操作性，用现在的方法还是有困难的。第三，支架在表面上长是单方面进去，而细胞应该是在三维环境成长。第四，往往是表面的细胞可以得到更多的营养，内层细胞营养不良。国际上很早就做出来了，但是层数多了，里面的就死了。所以说，我们需要新技术，直接把细胞采用3D打印把它打出来。
这是有一个人在2000年在Science上发表文章，他说由肾、肺等很多器官必须在一个合适的三维结构里面，要给它创造一个合适的三维结构，大量的细胞要进去，这就是我们追求的一个方向。这条技术路线，美国的萨克斯，他就是3D打印的犹太人，很早就做出来了。Clemson也是麻省理工的教授，他们也做了很多，还有Boland这个人，他的夫人是武汉人，他搞了3D组装细胞，搞得很好。还有，还有用喷墨打印技术来做细胞打印，还有德国的这家公司，它叫生物绘图。
这些东西最后归纳出来就是要分级结构，我们必须要有层级的结构，才能使营养能交换，排泄物能代谢出来，细胞持续生存，如果没有这个层次就不可能。这个叫3D蜂窝结构，大概2、3毫米，这是网状结构，它有几十个上百个微米，这个点到几个微米，这个丝组成了上面的棍，网上的一点就是它。所以，大家想一想，从这样的结构，我们的传统的层级方法能做出来吗？做不出来。这就是蜂窝结构，这个就是网状结构，这个叫单元结构，这三个结构我就不详细讲了。我们这种分级结构用3D打印来做，发挥了3D打印的作用，又把各种矛盾统一起来。要做这种微细的结构，我们3D打印的技术也要做相应的改进，可以沿着这四个方向去改进，我们用雾化的方式，可以用气压雾化、高压雾化、超声波雾化，也可以用连续喷射的办法来做，还有按需分配，有很多办法来做，3D打印的微喷射和微挤压技术，都是很好的技术，这个是气体雾化的一些办法。这个是给它一个电脉冲，它去挤这个流体，这些点里面都能喷出东西来，当然这个流道是方的，不是圆的，这是液压体，给它一个脉冲。这是压电式喷头结构示意图，这是尖笔直写，我们这个实验室在这方面做了很多工作，它在微细加工上面还是很有用，这是我们的实验室实验装置，这是尖笔直写的实验平台，这是我们做的分级结构，这是丝的粗细程度，丝的直径是100微米，这是50微米，做出来的结果非常的精细，这是堆出来的东西，这也是尖笔直写的不同方案。微挤压的特点也可以用来做，FDM工艺也可以做，我们国家的泰尔公司也可以拿它来做，还有金属微粒发生装置，这个炉子进行震动，颗粒当有磁场的时候可以偏转，这也是一种技术，这个好像是斯坦福大学搞的。这个是BPM工艺，冰成形工艺很接近液体的成形，这是我们学校首创的工艺。分级温控也是对骨组织工程非常有用，这个是复合喷射的办法，就是刚才分级温控，这个是用多个细胞源，用多喷头的细胞打印，实际上最后的打印技术还是不同的微挤压技术，这是一个公司做的示意图，这是它的装置图，这是光绘图工艺。这是细胞的低温凝胶化成形，这三种材料我们要把它融合起来，通过喷头、通过喷射、通过微挤压、通过各种办法，把它喷出一个结构出来，明胶在里面起了很重要的作用。这个是我们学校的多细胞组装机，我们国内第一台细胞组装机就是我的学生做的，我们现在已经做了好几种，最多可以是四种细胞同时组装。这是一种键，蘸水笔的技术，现在用来做纳米，很多纳米技术，很多微纳加工的技术，可以和我们3D打印结合起来，产生一些新的技术。这是双微滴喷射系统，这是Bioplotter工艺，在无菌环境里面，过滤压缩，这个材料里面是含有细胞的。细胞3D打印在这个概念下发展得很多，这个是我们学校的第一台细胞3D打印机，这是计算机系统，这是它的平台。细胞微囊技术，微囊创造了一个很好的细胞环境，这是高的电压，让它拉出来，这是在静电的作用下拉出来，还有一种叫做激光直写，大家看这个图，这个激光通过照到液体里去，通过力学分析可以算出来，这个直点沿着光束往前进，这个可以说是活的细胞，一颗一颗细胞进去排列起来，我们可以做一些医学上很重要的用处，我们叫细胞芯片。这也是做细胞芯片的一些手段。这是美国的克莱姆森大学做的试验，他是带有光固化的材料，带有明胶，细胞喷上去，铺一次明胶，再打一层细胞，最后固化，细胞就在明胶里形成结构。这个就是紫外光曝光的技术，对细胞的损伤可能会有，我认为并不是非常好的技术，但是它可以做出很精细的结构，这个都是它的示意图，这个是设备的图，这个是它做用机心的细胞来做的结构。这个是它的设备，这个是我们学校做的细胞微滴组装，这也是它的示意图，它可以做到好几个装细胞的东西，这是打出来含有不同梯度的细胞的网格，它可以进行物质交换。这个是一些成果，用肝细胞、明胶、海藻酸钠做出来的结构，这是用心肌细胞做的，我们把老鼠的心肌细胞堆积，这是心肌细胞体外培养的状态，这是肝细胞，做的是3D打印培养的情况，具有肝功能的，我们拿到校医院去检测，它有肝功能。这是心肌细胞体外培养的情况，这个大家可以看它在动，我们学校培养出了这个心肌补片，它的厚度超过了国外的厚度，为什么？因为我们用了一个很好的三维结构，所以说把这个贴到心脏衰竭的病人身上去，可以帮助心脏的跳动，延长他的生命。
干细胞的三维组装用处很大，我们用不同地方的干细胞都做过实验，这是第二代细胞受控组装机。这是多喷头，两个喷头里面放了两种细胞，在混合器里面混合喷射出来。这个是单种材料的很复杂的三维结构，这个是模拟细胞的梯度结构，怎么让它按照我们要求的梯度去成形。
最后，我再谈谈一点感想。生物制造从生物质制造发展到仿生制造到生命体的制造，包括组织器官这种广义的生物制造，是学科交叉、融合和发展，以及健康产业在国民经济中比重增加的直接结果。上世纪80年代出现的组织工程由于和3D打印的结合，拓宽延伸到不同的领域里去，它是细胞生物学、材料科学和制造科学的最新交叉融合。基于3D打印技术的细胞三维受控组装工艺，是生物制造中最为核心的技术，其目标为具有新陈代谢特征的生命体的成形和制造。细胞直接三维受控组装，是其中最新的发展，使人类可以按照器官解剖学的数字模型，通过控制单个细胞和细胞团簇的3D组装，最终实现可整合于人体新陈代谢系统，用于修复和替代病损组织和器官的人造器官。生物制造的出现克服了传统组织工程的许多技术困难，使得人体组织和器官的再生手段大大丰富和加强。美国这个获得诺贝尔奖的Gilbert预言，用不了50年，人类将能培育人体的所有器官。这个产业现在在美国已经兴起，我这个PPT是三年以前的，它已经达到了40亿美元的规模，很快超过了现在RP的规模。
科学院组织我们预测一下，写一写20年以后在生物制造上面会是什么样的状态。我是生物制造的负责人，我就写了20年的远景。第一，就是人工制造人体全功能内脏器官机理的阐明，就是具有人体内脏的器官，为什么我们人工能够把它做出来，它的机理。现在应该说是从制造科学的这个角度、仿真学的角度等等，我认为还是没有真正搞清楚，很多问题没有搞清楚，全功能的内脏器官完全整合入人体相应的系统里面和结构、功能、寿命，与人体器官无异的复杂内脏器官，像心、肝、肾、肺。我们相信在未来20年内，我们应该很清楚的阐明它的机理，更深层次的生命科学与制造科学问题，分子与细胞层次的操控和组装，不同细胞的精确三维排布希望得到更好的阐明。
第二是生物模拟系统，建立能模拟特定胜利系统机能的介于干细胞和人体之间的微笑生理系统单元。我们不是单个细胞，也不是人体，我们是把细胞组成一个小单元，有一定的功能模拟。比如是糖尿病，比如说某种癌症，我们拿一定的细胞装成这么一个结构，这个结构就是药物的筛选和疾病机理研究提供了基础。体外进行心、肾、肝、神经系统的研究，对具有复杂药理活性的中国传统中药研究具有重大的应用价值和意义。配合基因芯片等生物信息分析技术，可以研究药物对复杂疾病的药理作用，并进行高效的药物筛选。
组织工程体外的培养模型和制造的数据库。因为我们有数字人体的模型，我们应该还有很多更进一步的模型。 还有人体结构性的组织，比如皮肤、骨头、软骨，都是结构性的组织，这些应该广泛的开发和应用，实用得到20年以后。谢谢大家
