徐铭恩:破解生物3D打印的“科学密码”

2016-10-3 01:31| 发布者: 3D打印| 查看: 430| 评论: 0

近日,杭州捷诺飞生物科技有限公司董事长徐铭恩教授分享了生物3D打印技术在医疗领域的应用现状与进展,同时对于生物3D打印未来商业模式建立中存在的一些问题和思考进行了探讨。
近日,杭州捷诺飞生物科技有限公司董事长徐铭恩教授分享了生物3D打印技术在医疗领域的应用现状与进展,同时对于生物3D打印未来商业模式建立中存在的一些问题和思考进行了探讨。
徐铭恩:生物3D打印技术创造“永生”
 
生物3D打印在个性化精准医疗中的意义

       1、精准医疗的概念可以从广义和狭义两个层面来解读。从狭义层面讲, 精准医疗包括基因测序以及建立在基因测序基础上的基因药物治疗或基因治疗;广义上讲,它是基于解剖学、病理学数据来进行药物、器械的个性化治疗。

       2、精准医疗应该是从检测到治疗的一个闭环。如果用武器来比拟精准医疗,检测技术就好比枪的瞄准器,包括基因测序、磁共振、B超和CT等精准获取病人个体化病情数据的手段;子弹是精准的药物和治疗器械,医生是扣动扳机的战士。

       3、生物3D打印技术对于个性化精准医疗的意义就在于提供了精准化的子弹,这种数字化设计制备手段提供了从个体影像学数据制备个性化器械的可能。实现从个体化数据采集到个性化医疗器械设计制造,生物3D打印技术使得精准医疗可以实现闭环。

全球生物3D打印在医疗科研和临床应用中的进展

1、科研方面
       生物3D打印技术提供了一种可精准控制的制备技术,无论是对于生物材料、干细胞、肿瘤还是发育生物学领域的研究都非常有意义:

       生物材料:生物材料的制备上,10微米到几百微米级别的材料结构对其生物及物理特性有着巨大影响,但传统的分子链合成和修饰,或宏观层次的盐析法、发泡法和静电纺丝等技术,都不能在这个尺度对材料的制备实现精准设计控制,但生物3D打印却提供了可能。

       干细胞领域:传统的干细胞培养技术以平面培养为主,不能正确反应干细胞在体内真实三维环境下的状态。而干细胞立体培养条件下会发生基因表达及其它细胞表型的变化,生物 3D打印技术可以为培养的干细胞提供可精准控制的三维结构,并模拟干细胞的外部微环境,为干细胞的研究提供了更多手段。

       肿瘤学领域:传统体外研究中肿瘤细胞培养一般采用平面培养、微囊培养。而三维培养环境对于肿瘤细胞的影响也很大,比如肿瘤的迁徙、血管化和侵袭转移等。传统研究技术没有办法进行可控结构的制造,3D生物打印技术提供了一种新的研究工具。

2、助力临床

       辅助诊断和手术模型:

       在骨科、心内科等复杂手术之前,生物3D打印技术可以制造高仿真的、反应真实病理情况的模型,这对于病情的诊断、复杂手术方案的设计以及手术的练习都有很重要的意义。

       打印个性化医疗器械:

       使用不可降解的非植入产品,例如打印尼龙的替代石膏的产品,可以极大提高患者治疗期间的舒适感,加快疾病的恢复;

       非降解生物相容性的可植入产品,例如用PEEK材料打印颅骨补片,可契合病人缺损部位的结构从而帮助复杂缺损部位的修复,还可附加其它机械力学特性;

       可降解的植入物,该类产品大多都在临床研究中,目前离临床较近的产品是骨科无机材料植入物,它在宏观上结构可契合患者缺损部位,又可以在微观上设计很多孔洞,方便血管的生成,降解了以后又诱导自身的骨生成;

       组织细胞替代物,利用自身细胞或者干细胞来打印皮肤和软骨等简单组织进行生物修复,甚至肝脏等复杂脏器,用于临床治疗。这是最具有前景的研究领域,但这个目标的实现可能需要几个阶段。

3、 药物开发

       药物的筛选需要模型,传统筛选模型分为两大类:一种是高通量模型,基于体外的单个酶的活性检测,但高通量模型筛选是脱离体内真实环境的;另一种是动物模型,虽然是体内筛选,但人和动物有种属差异的,疗效和毒性都并不完全等同于人体。

       如果用人体细胞打印出的器官模型来筛选药物,那么相对于高通量模型,该模型对于生物整体的模拟更为准确,同时相对于动物模型,该模型和人之间没有种属差异,有望提高药物筛选的精准度。另外3D打印技术还可应用于药物控释,通过打印特殊材料、特殊结构、构建特殊拓扑结构等方法控制药物体内释放的位置、释放的动力学曲线等,药物处于更好的释放条件。

4、生物3D打印在医疗领域的应用案例

       心内介入领域

       左心耳是胚胎时期的左心房的残留,房颤发生时左心耳扩大,丧失节律性收缩,造成左心耳内血液缓流淤滞,进而形成血栓诱发脑卒中。波士顿科学有一款产品叫做左心耳封堵器,在实际手术设计中,波士顿科学与捷诺飞合作先用患者的个性化数据重建左心耳结构,利用仿真体内左心耳的材料通过3D打印重建制备质感、弹性、大小、结构等都相同的左心耳模型,医生可以在该仿真左心耳模型上试验左心耳封堵器的大小,放置的位置等关键参数,从而缩短手术时间,增加手术的安全性,同时降低手术风险。

       3D打印的肝脏小组织单元

       相对于微囊培养模型,该模型更接近于从体内肝组织中切割出的肝脏组织薄片,更为准确模拟体内的真实情况,可用于检测不同药物的肝毒性,筛选出在动物身上没有肝毒性而对人有肝毒性的药物,减少药物公司的损失,同时对患者起到保护作用。该组织单元目前在捷诺飞已实现小批量制备并在一些大型制药公司投入使用。

       另外,还有很多生物3D打印技术应用于医疗领域的案例,例如3D金属打印髋关节、利用PEEK材料打印来修复额面和颅骨等。

生物3D打印技术商业模式现状及未来发展

       两个前提

       生物3D打印技术应用于医疗领域商业化的两个必需遵守的前提:

       敬畏生命——严格按照FDA的要求与标准,敬畏生命,这是探讨生物3D打印乃至整个医疗商业模式的前提,任何放松警惕和打擦边球都可能造成重大后果。

       有耐心——药物和医疗器械的研发都需要一个很长的周期和大量的资金投入,这是生物医药产业的规律。很多药物疗效和副作用都是需要时间的检验才能体现,因此无论时间上还是投入上都要有耐心,不要急功近利。

       商业模式发展的思考

       技术发展是前提

       跳过技术谈商业模式很难。医疗模型这一领域已经有相对较好的技术体系可以支撑,但也有几个问题需要解决。第一,任何临床应用,即使是最简单的模型,都要有准入;第二,模型也要安全,如果指导手术的模型错了,那么手术可能会被误导;第三,整个医疗发展趋向是要减轻患者的医疗压力,那么谁付费就是要探讨的问题。

       制造过程的周期和成本问题

       一个好的模型从数据处理阶段到打印阶段,研发的成本较高。其中付费问题、流程中的数据流问题以及相关政策都有可以探索和改进的地方。

       定制化医疗器械

       从FDA审批的角度来说,生物3D打印技术审批可分为两大类。第一类是单纯作为标准产品的制造技术,使用传统商业模式即可;第二类是定制化的医疗器械,其中数据如何收集、怎样转化成产品、产品如何应用于患者等问题都值得探讨和摸索。3D打印技术的应用提供了一种数字化制造技术,可能会优化传统的制造模式,在该领域,可能会有新的商业化模式产生。

       药物CRO(医药研发合同外包服务机构)

       大型制药公司有60%-70%的研发外包给其它机构,通过CRO的方式实现。3D生物打印技术应用于药物开发很有发展前景,可以借鉴这种模式。

       人工器官的制备

       技术突破是关键,如果技术有突破,器官定制、付费方式等方面可能会有更多值得探索的问题。


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徐铭恩:生物3D打印技术创造“永生”   但不追求违反自然规律的“永生” 

生物3D打印技术发展究竟能给人类带来什么样的福音?徐铭恩对此有着自己的理解。“我相信,通过研究3D打印,一定可以延长人类的寿命,但我个人觉得研究这样的技术不是去追求违反自然规律的永生,让天下父母活到儿女成家,长辈活到晚辈尽孝,这是我们工作最大的热情来源,与自然和谐共存才是我们的追求。”

在高中时代,徐铭恩就是物理学科的“学霸”。高二时,他已经开始系统学习微积分、大学物理,并在各级物理竞赛中崭露头角。

但也就是在这一年,他的外公去世了。“学校离医院很近,接到外公病危的消息,我从教室跑去病房,看着他的心跳曲线从有到无,摸着他的手渐渐凉去。”

徐铭恩开始觉得,“物理离挽救生命的技术有点远”。生命科学成了他的新方向。

高考填志愿时,他选择的专业是“药学”,想着开发新药物来治病。本科读下来,发觉还是需要了解更多的技术,研究生阶段又转攻生物医学工程学,希望能用新技术来解决药物无法治疗的疾病。

2005年,徐铭恩在做博士后研究时,接触到了生物3D打印。“如果这项技术能运用到医学上?”他就此“定情”。

2012年他和团队在这一领域的工作,被国际期刊《Biomaterials》(《生物材料》)评价为“生物3D打印领域最先进水平”。

2013年,为了给其他生物医学研究的科学家提供稳定的工作平台,他和团队一起,成功研制出可打印生物材料和活细胞的商品级3D打印机“Regenovo”。这台3D打印机,成功打印出了人类肝脏单元、脂肪组织等,打印出的细胞存活率达90%,最长存活时间4个月。

“实践证明,3D打印在生物医学领域的运用很广,例如用于制作医疗模型,术前将体内病变的骨骼或器官打印出来,供医生和患者沟通或制定手术方案。又如药物筛选、假肢假体等等。”

多年基础研究,他经历了很多次考验,不乏“绝望时”,但他坚持跑了下来。他说,“理想不是挂在嘴边说的,有时甚至可能忘记它还存在,但在人生无数次选择和坚持的关口,理想就是关键的那枚砝码。”

谷歌的拉里·佩奇说,细胞的3D打印,还有现在的细胞重编程,这些技术在未来有可能攻克死亡。未来学家雷·库茨韦尔有一个更“疯狂”的说法,他说人类已经到了“永生的边缘”。雷·库茨韦尔的解释是,未来二三十年开发的技术,可以让你再多活二三十年,多活的二三十年又有新技术出现,可以再让你活得长一点。

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