導(dǎo) 讀
本篇文章主要介紹了3D生物打印目前存在的挑戰(zhàn)，梳理目前世界范圍內(nèi)3D生物打印公司簡(jiǎn)介及相關(guān)產(chǎn)品介紹。
1.細(xì)胞活性與交聯(lián)成型1：
對(duì)于噴墨式與擠壓式打印，其難點(diǎn)在于生物墨水流出時(shí)承受的剪切力會(huì)損傷細(xì)胞，尤其是噴嘴尺寸減小后，而噴嘴尺寸決定了打印精度，細(xì)胞活性和打印精度難以兼得。
生物墨水圖樣化需要通過(guò)溫控、化學(xué)處理、紫外照射等方式固定成型。然而這些交聯(lián)方式都會(huì)對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)等材料造成損傷;
2.仿生結(jié)構(gòu)2
生物 3D 打印器官的生理功能與其三維結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，該三維結(jié)構(gòu)需要從 3 個(gè)方面與人體組織進(jìn)行匹配：
1)厘米尺度上人工器官的形態(tài)需要與解剖學(xué)形態(tài)匹配；
2)微米尺度上人工器官的多孔結(jié)構(gòu)需要與組織、細(xì)胞生長(zhǎng)需求匹配；
3)亞微米尺度上人工器官的材料表面形貌需要與細(xì)胞生長(zhǎng)、分化需求匹配，亞微米尺度的材料表面形貌特征對(duì)細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)、分化具有重要影響。
前兩者可以通過(guò)3D打印切片程序進(jìn)行調(diào)控，后者需要結(jié)合工藝制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)。仿生結(jié)構(gòu)不是單純意義上對(duì)天然器官形態(tài)的仿生模擬，而是對(duì)器官功能構(gòu)建相關(guān)結(jié)構(gòu)特征的仿生。
3.血管化
生物 3D 打印器官的構(gòu)建難點(diǎn)，在于維持人工器官的存活和運(yùn)作。為了維持人工器官的生物活性，需要實(shí)現(xiàn)器官的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換功能，因此血管化必不可少。目前，已有多種方法可實(shí)現(xiàn)生物 3D 打印器官的血管化：
1)3D 打印犧牲材料預(yù)留血管通道。但對(duì)于復(fù)雜走形和細(xì)末分支的血管構(gòu)建存在困難；
2)同軸 3D 打印制作中空結(jié)構(gòu)血管樣通道。該方法構(gòu)建的器官血管網(wǎng)絡(luò)分布廣泛且均勻，但對(duì)于血管分支構(gòu)建存在困難；
3)體外及體內(nèi)的預(yù)血管化培養(yǎng)。打印完成的人工器官，在灌流裝置中誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞形成血管網(wǎng)絡(luò)，或是暫時(shí)移植于受體皮下進(jìn)行血管化誘導(dǎo)；
4)生物因素調(diào)控血管新生。在生物墨水體系中加入血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）、堿性成纖維生長(zhǎng)因子（bFGF），促進(jìn)血管生成。
4.多組織多材料打印
器官由不同的組織結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每層組織的結(jié)構(gòu)功能不大相同，其內(nèi)部具備多種細(xì)胞、蛋白、生長(zhǎng)因子等，材料分布非常復(fù)雜，精度非常高。為了實(shí)現(xiàn)器官的生理功能，需要多細(xì)胞多材料協(xié)同打印，現(xiàn)階段生物 3D 打印大多利用單一功能的細(xì)胞作為種子細(xì)胞。
一、生物3D公司一覽
（一）BIOLIFE4D
Biolife4D corp.是一家開創(chuàng)性的生物技術(shù)公司，目前只有12個(gè)員工，專注于利用生命科學(xué)和心臟組織的最新進(jìn)展來(lái)3D生物打印適合移植的可行人類心臟。公司希望通過(guò)3D生物打印和患者自己的細(xì)胞創(chuàng)建患者特異性，打造功能齊全的心臟。
產(chǎn)品打印流程：
產(chǎn)品如下：
1、迷你心臟-用于藥物和疫苗開發(fā)中的心臟毒性測(cè)試，無(wú)需FDA批準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，預(yù)計(jì)上市時(shí)間為2023年底，2024年初；
2、瓣膜與心臟補(bǔ)片
財(cái)務(wù)狀況：
Biolife4D corp.目前仍處于研發(fā)階段，截至招股說(shuō)明書發(fā)布之日（2023年1月4日），公司尚未銷售任何產(chǎn)品或產(chǎn)生任何銷售收入，還處于虧損狀態(tài)。
根據(jù)公司的招股說(shuō)明書的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，Biolife4D corp.在2022年第三季度的凈經(jīng)營(yíng)虧損是73萬(wàn)美元，同比減少8.7%；前三個(gè)季度的凈經(jīng)營(yíng)虧損為238萬(wàn)美元，同比增加63.5%。
截至2022年9月30日，公司的流動(dòng)資產(chǎn)為33.6萬(wàn)美元，流動(dòng)負(fù)債為160萬(wàn)美元，流動(dòng)比率為0.21；公司的總資產(chǎn)為112萬(wàn)美元，總負(fù)債為268萬(wàn)美元，資產(chǎn)負(fù)債率達(dá)到239.3%。因此，公司的第三方審計(jì)公司對(duì)其繼續(xù)運(yùn)營(yíng)能力表示嚴(yán)重懷疑。
（二）Regemat3D
REGEMAT的技術(shù)團(tuán)隊(duì)從2011年開始為BRECA健康中心提供個(gè)性化鈦修復(fù)的假體和植入物。之后團(tuán)隊(duì)開始發(fā)展生物3D打印技術(shù)，建立了生物醫(yī)學(xué)研究中心。2014年使用自主開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)了含有細(xì)胞的水凝膠材料的生物3D打印。并與格拉納達(dá)大學(xué)、馬德里拉巴斯醫(yī)院以及制藥行業(yè)公司展開了合作。
產(chǎn)品：
圖 REGEMAT 3D BIO V1打印機(jī)
REGEMAT 3D V1醫(yī)學(xué)生物打印機(jī)特點(diǎn)：
1、支持Individual Pore Filling (IPF): 單獨(dú)孔隙填充技術(shù)，這種技術(shù)能夠提高細(xì)胞的穩(wěn)定性和存活率；
2、支持Injection Volume Filling (IVF):注射填充技術(shù)，這種技術(shù)在使用高溫?zé)崴苄运芰蠒r(shí)能夠改變填充量，提高細(xì)胞的穩(wěn)定性和存活率；
3、支持Fused Deposition Modelling (FDM): 融熔堆積成型技術(shù)，主要用來(lái)打印可生物降解的熱塑性塑料支架，這些支架通常在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起支撐作用；
4、X軸分辨率150微米、Y軸分辨率150微米、Z軸分辨率400納米，噴嘴直徑為01-0.5mm
（三）蘇州諾普再生醫(yī)學(xué)有限公司3
諾普再生成立于2016年，是一家專門從事生物3D打印的高新技術(shù)企業(yè)，專注于用生物3D打印技術(shù)研發(fā)出臨床可及的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)組織修復(fù)和器官修復(fù)。目前，公司已經(jīng)自主研發(fā)出適合于臨床應(yīng)用的OPUS（OrganPrintingUnitedSystem）打印平臺(tái)，可打印活性軟組織產(chǎn)品、硬組織植入物等，能兼容各種生物細(xì)胞，營(yíng)造出適合細(xì)胞長(zhǎng)期存活的微環(huán)境。
OPUS平臺(tái)的核心競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)核體現(xiàn)在兩方面：
實(shí)現(xiàn)生物打印材料（細(xì)胞、天然大分子、合成高分子等）同時(shí)打印。需要打印的產(chǎn)品既有軟組織也有硬組織，存在異質(zhì)性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是不同的材料需要不同的打印工藝和打印機(jī)。OPUS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了高低粘度、高低溫度以及多種交聯(lián)固化方式的材料的同時(shí)分區(qū)打印。
OPUS平臺(tái)突破了普通打印尺寸的限制，并符合臨床產(chǎn)品開發(fā)的環(huán)境控制要求。傳統(tǒng)的生物3D打印機(jī)只能打印一些小尺寸的產(chǎn)品，無(wú)法滿足臨床上打印骨骼等大尺寸產(chǎn)品的需求，而OPUS在打印尺寸上，能夠適應(yīng)人體尺寸一次成型打印。
諾普再生研發(fā)的用于細(xì)胞打印的多種生物墨水，可以打印皮膚、軟骨、間充質(zhì)干細(xì)胞，營(yíng)造出適合細(xì)胞長(zhǎng)期存活的微環(huán)境，并且易于打印，可廣泛支持臨床應(yīng)用。
打印工藝的關(guān)鍵在于構(gòu)建精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，模擬類似細(xì)胞外間質(zhì)的微環(huán)境，促進(jìn)移植后組織或器官的功能化、血管化等，同時(shí)諾普非常注重臨床實(shí)用性，兼顧機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性、手術(shù)術(shù)式和使用便利等
（四）四川藍(lán)光英諾生物科技股份有限公司5
藍(lán)光英諾成立于2014年，為藍(lán)光發(fā)展集團(tuán)旗下3D生物打印高科技技術(shù)服務(wù)公司。藍(lán)光英諾公司擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的細(xì)胞封裝技術(shù)，Biosynsphere®，譯稱“生物磚®”；
生物磚®技術(shù)一種細(xì)胞與生物材料的復(fù)合體，微球式細(xì)胞包裹技術(shù)，其包括種子細(xì)胞、核層和殼層。
核層由生物相容性材料構(gòu)成，為包裹在其內(nèi)的細(xì)胞提供最適合的生長(zhǎng)微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞在生物磚內(nèi)的增殖、遷移、分化以及發(fā)揮生物學(xué)功能；
殼層同樣由生物相容性材料構(gòu)成，為細(xì)胞提供充足的力學(xué)保護(hù)，避免其在應(yīng)用過(guò)程中受到機(jī)械力的損傷，同時(shí)殼層能夠維持生物磚整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
生物磚®技術(shù)特點(diǎn)：
生物打印剪切力作用后生物磚®細(xì)胞活率整體維持在90%以上。維持干細(xì)胞干性；
為細(xì)胞提供有效的機(jī)械支撐和保護(hù)，生物磚®制作的墨汁在600μL/min的速率下進(jìn)行生物打印，剪切力作用后保持完整結(jié)構(gòu)；
維持細(xì)胞形態(tài)，增值以及細(xì)胞遷移，保障細(xì)胞生命活動(dòng)。
應(yīng)用：
1、干細(xì)胞再生血管REVOVAS®
REVOVAS®屬于干細(xì)胞藥械組合產(chǎn)品，2022年干細(xì)胞3D生物打印血管臨床研究項(xiàng)目正式獲得國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)備案同意在四川大學(xué)華西醫(yī)院開展臨床試驗(yàn)。能形成中膜平滑肌層的生物血管，是全球首個(gè)由植入干細(xì)胞完全實(shí)現(xiàn)組織再生的細(xì)胞治療類臨床產(chǎn)品。
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)部分結(jié)果：
超聲檢測(cè)：REVOVAS®植入恒河猴后4周，干細(xì)胞實(shí)現(xiàn)血管內(nèi)膜層再生。
CT檢測(cè)結(jié)果：REVOVAS®植入恒河猴后1670天，完全再生的血管組織保持長(zhǎng)期通暢
2、骨修復(fù)產(chǎn)品
干細(xì)胞生物磚®進(jìn)行骨性關(guān)節(jié)炎損傷修復(fù)，現(xiàn)階段已經(jīng)觀察到治療組實(shí)現(xiàn)了大量軟骨再生修復(fù)，伴隨半月板樣組織新生，其組織結(jié)構(gòu)及形態(tài)均相對(duì)完整。
（五）Healshape
Healshape是一家再生醫(yī)學(xué)生物技術(shù)初創(chuàng)公司，由6名員工于2020年1月在法國(guó)里昂創(chuàng)立。開發(fā)用于乳房再造和隆胸的產(chǎn)品。
Healshape假體采用基于天然和仿生材料的水凝膠 3D 打印而成，借助患者自身的細(xì)胞使乳房得以再生。女性患者將在6至9個(gè)月內(nèi)恢復(fù)自己的乳房，而且沒(méi)有生物假體的痕跡。
2022年1月23日，Healshape在A輪融資中籌集了680萬(wàn)美元（約4300萬(wàn)人民幣）。
（六）Organovo Holdings5
Organovo成立于2007年，是生物3D打印領(lǐng)域中的老牌公司，是第一家全球知名的上市生物打印公司，其技術(shù)由其創(chuàng)始人 Gabor Forgacs 和克萊姆森大學(xué)的 Thomas Boland 授權(quán)。Organovo Holdings(ONVO.US)：2023年Q3財(cái)報(bào)實(shí)現(xiàn)營(yíng)收13.1萬(wàn)美元，前值為0美元；每股收益為-0.37美元，前值為-0.40美元。
2015年，Organovo推出了其首款生物3D打印產(chǎn)品 — ExVive人類肝臟，ExVive人類腎臟是一種近端小管模型，能幫助科學(xué)家更有效地研究藥物和特定治療方法對(duì)人類腎臟的影響，從而加速藥物開發(fā)進(jìn)程。這種人工器官已經(jīng)通過(guò)了功能性驗(yàn)證，被證明極其適合用于臨床測(cè)試，比如其近端管功能可以維持超過(guò)四個(gè)星期；其組織復(fù)雜有助于檢測(cè)損傷和恢復(fù)；其轉(zhuǎn)化功能可幫助評(píng)估腎毒性和藥物相互作用。
2017年，Organovo公司取得了新的突破 — 成功3D打印出了可用于制造人工腎臟的微靜脈結(jié)構(gòu)。
在3D打印腎臟的研究中，Organovo目前已經(jīng)取得了如下幾項(xiàng)關(guān)鍵的進(jìn)展：
①成功將腎臟細(xì)胞“綁定”到了能精確模擬天然腎小管的血管結(jié)構(gòu)上
②通過(guò)添加有毒物質(zhì)完成了“3D打印腎小管藥物測(cè)試”的概念驗(yàn)證
（七）BICO（Cellink）6
BICO（前身為CELLINK）是一家總部位于瑞典的公司，CELLINK公司研制出了首個(gè)通用型的生物3D打印墨水，適用于多種生物3D打印機(jī)。隨后快速發(fā)展逐漸成為生物打印市場(chǎng)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。
2015年，CELLINK推出了他們的第一個(gè)桌面系統(tǒng)，即INKREDIBLE。
2018年， CELLINK宣布以500萬(wàn)歐元收購(gòu)德國(guó)生物分配技術(shù)公司Dispendix GmbH,并將公司的技術(shù)添加到其自己的生物打印解決方案中。
2019年，CELLINK宣布推出BIO X6，這是一款新型的六打印頭生物3D打印系統(tǒng)。BIO X6能夠在六個(gè)不同的位置同時(shí)使用不同的壓力，溫度和打印方法。打印頭溫度范圍為4°C至250°C，打印床溫度范圍為4°C至65°C，在使用膠原蛋白和明膠等溫度敏感材料時(shí)，可以精確控制溫度。XY軸分辨率為1微米，Z軸分辨率為1微米。
據(jù)財(cái)報(bào)顯示，BICO在2022年前3個(gè)季度的凈銷售額約合1.5億美元，與去年同期相比增長(zhǎng)了112%。
收購(gòu)之旅：
2019年8月，Bico以3025萬(wàn)歐元收購(gòu)德國(guó)生物技術(shù)公司Cytena，將后者單細(xì)胞3D打印技術(shù)收入囊中。
2020年8月，Bico以8000萬(wàn)歐元收購(gòu)德國(guó)精密點(diǎn)膠公司Scienion及其子公司Cellenion，進(jìn)一步掌握細(xì)胞3D打印技術(shù)。
2021年5月，Bico以5000萬(wàn)歐元收購(gòu)德國(guó)3D微制造公司Nanoscribe，將2PP技術(shù)整合到自己的技術(shù)中，增加新的微納級(jí)3D打印功能。
2021年8月，Bico以1500萬(wàn)美元收購(gòu)美國(guó)3D研究應(yīng)用公司Advanced BioMatrix，收獲后者的生物墨水和試劑產(chǎn)品。
2021年12月，Bico Group以1.65億美元收購(gòu)了圣地亞哥生命科學(xué)自動(dòng)機(jī)公司Biosero，進(jìn)一步掌握了生物打印自動(dòng)化技術(shù)。
（八）3D Systems
3D Systems（NYSE:DDD）成立于1986年，由“3D打印技術(shù)之父”Chuck Hull參與創(chuàng)建，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，現(xiàn)在已發(fā)展成為一家全球化的3D解決方案提供商。
3D Systems 在2022年第四季度和2022全年的收入有所下降，主要是由于通貨膨脹導(dǎo)致牙科正畸業(yè)務(wù)放緩。最重要的是，全年業(yè)績(jī)顯示收入下降 12.6%，從2021年的6.156億美元下降到2022年的5.38億美元。2022年的凈虧損為1.227 億美元。
2020年中期以來(lái)，3D Systems將戰(zhàn)略重心調(diào)整為優(yōu)先考慮工業(yè)和醫(yī)療業(yè)務(wù)，并大力投資生物3D打印技術(shù)的研發(fā)。該公司與生物技術(shù)專家United Therapeutics合作，在開發(fā)Print to Perfusion方面取得了重大進(jìn)展，該工藝旨在實(shí)現(xiàn)3D打印支架，可以用活細(xì)胞 "灌注 "來(lái)創(chuàng)造組織。
2021年1月宣布了 "打印灌注 "技術(shù)的突破，它成功地創(chuàng)建了全尺寸的實(shí)體器官支架后，而后將Figure 4用于生物3D打印。此前，該技術(shù)已被應(yīng)用于3D打印定制的聽(tīng)力設(shè)備。
2021年5月，3D Systems接管了Volumetric Biotechnologies公司之前收購(gòu)的Allevi公司，該筆交易的成本可能在4億美元（約27億人民幣）以上。在2021年6月就宣布了將要進(jìn)行3D打印人體肺部支架試驗(yàn)的計(jì)劃。
ALLEVI公司2014年8月成立于美國(guó)賓夕法尼亞州費(fèi)城，其前稱為BioBots。該公司是3D生物打印機(jī)及BIOINK的制造商，其使命是讓3D生物打印更容易。
Allevi公司推出的一系列3D生物打印機(jī)能夠利用膠原蛋白、蛋白質(zhì)油墨和PLGA等生物聚合物進(jìn)行3D生物打印，是眾多實(shí)驗(yàn)室（如：麻省理工學(xué)院/哈佛大學(xué)，斯坦福大學(xué)，卡羅林斯卡大學(xué)，IMRE，IIT等）*的工具， 其用戶中約90％是學(xué)者，麻省理工學(xué)院、維克森林醫(yī)學(xué)院和澳大利亞臥龍崗大學(xué)編寫了引用其硬件的論文。
2022年9月10日， 3D Systems宣布成立一個(gè)新的生物3D打印子公司公司Systemic Bio，是一家專注于將先進(jìn)的生物打印技術(shù)，應(yīng)用于藥物開發(fā)的生物技術(shù)公司。
參考文獻(xiàn)：
[1] 毛宏理,顧忠偉.生物3D打印高分子材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].中國(guó)材料進(jìn)展,2018,37(12):949-969+993.
[2] 黃文華.生物3D打印在器官再造中的前沿?zé)狳c(diǎn)和研究進(jìn)展[J].器官移植,2022,13(02):161-168.
[3] 資料來(lái)源：動(dòng)脈網(wǎng)
[4] 資料來(lái)源：四川藍(lán)光英諾生物科技股份有限公司官網(wǎng)
[5] 資料來(lái)源：Organov官網(wǎng)與南極熊3D打印網(wǎng)
[6] 資料來(lái)源：BICO公司官網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)公開資料整理
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