生物3D打印制造技术

随着近年来科学技术的迅猛发展,生命组织制造及其功能再生成为人类探索的前瞻方向,制造技术与生物医学融合正在展示其巨大的科技引领作用和未来产业价值。本方向的技术含义是采用3D打印技术,按照生物体的结构与功能需要制造类生命体组织,支撑生物医学的发展。近期《Science》杂志封面报道,美国研究团队提出一项具有里程碑意义的发明:一个由水凝胶3D打印而成的肺模型, 它具有与人体血管、气管结构相同的网络结构,能够像肺部一样朝周围的血管输送氧气,完成"呼吸"过程,这就体现了制造技术向具有呼吸运动和传输功能的制造技术发展的趋势。以色列科学家也打印出可以跳动的人工心脏。脑科学一直是科技研究的热点,人脑具有非逻辑的思考能力,具有计算机无法实现的功能,也是人类创新的物质基础。通过认识脑细胞间的关系,进而培育和再生脑组织去发展类脑计算机,有望实现以极低的物质代谢成本产生巨大的创新和运算能力。本方向的主要研究包括以下技术方向:

1. 复杂结构器官的制造

重点解决人体功能性器官的研究,例如心脏组织,解决组织与神经信号的协调机制,使构建的组织从简单的力学支撑组织向具有神经调控的功能组织发展,进而解决3D打印组织与人体宿主组织的融合共生,最终实现人体器官的再生与功能重建;

2. 类脑组织制造:

脑组织中的神经元功能与信号发生和交换是形成思维功能的基础,其内部细胞的排列及它们在皮质各层内的类型和密度是大脑皮质分区功能的基础,从 "认识脑"到"创造脑"是发展类脑计算机的方向,在体外对脑组织进行形态和功能构建取决于对目标功能部位所对应的神经元类型、构筑结构及神经元组合的仿生设计和精确制造,是生物类脑功能3D打印发展的前瞻性方向;

3. 生物能转化组织:

探索人体的能量和电能的形成与释放机理,构建人工肌肉和生物电池,提供高效率的能量释放机制,形成软体组织的能量转化与释放器件,发展更为高效的能量集成与释放器件;

4. 生物机械共生体:

现有机器存在着能量转化效率低、灵活性低等局限,用活体肌肉组织或细胞驱动的生物共生机器发展具有高能量转化效率、本质安全性、运动灵活性的多自由度柔性类生命机器人。建立耦合生命体和机械体的类生命机器人多细胞/多材料复合制造方法,为柔性类生命机器人提供一种从运动功能需求出发、可重复、可定制的快速制造新途径。

生物组织的制造使得人类从木材、金属、硅材料向生命体材料发展。在这个过程中需要建立功能引导变革新进步的新产品,在研究中围绕以下方向开展工作。

1. 基于功能的生命体结构设计制造

在认识生命体自我生长特性的基础上,发展基于细胞/基因尺度的单元原始态与生长过程的结构与功能设计理论。突破现有的以结构设计和力学功能为主的机械设计理论,向结构、驱动、功能共生和演变的设计方法发展。需要认识细胞和基因在其自繁衍和自我复制过程中的规律,利用该规律,设计原始状态细胞的组成和结构,使得生命单元生长功能在随时间和功能的演变在设计中得以体现。具有可降解、工程强度及在一定环境下可活化、可生长的结构体的材料、制造工艺与工程控制研究。

2.3D打印的生命单元调控方法与活性保持

在3D打印中,生命体单元是进行组织生长与发育的基础,有机的细胞或基因的有机组合是后期功能呈现的核心,制造中需要进行单细胞和基因的微纳尺度的生命单元的堆积,需要研究其堆积的原 理以及相互间的作用关系,通过调节细胞之间的关系,为生长和功能再生提供三维结构和时变功能调控能力。3D打印的最大难点是生命体的应用,保证生命体的活性是基本保障,因此生命体的制造需要与其适应的培养环境,包括培养液的更新、氧气与二氧化碳等气氛环境的调控,形成生物环境与打印工艺的复合。

3.功能形成机理与构件功能形成 3D

打印的初始结构与功能需要在特定环境下 发展形成最终功能,这其中需要对功能的形成与设计制造的关系进行认识和发展。为形成这些功能,需要认识功能与多细胞体系随时间发展而变化的规律,包括细胞互联和相互作用的关系,通过细胞之间的作用,形成的能量(肌细胞)释放或者信息(神经元)传递功能,为利用这些功能向具有多功能的器件发展提供基础。

4.多功能器件或组织的制造与功能评价

基于以上设计、制造和原理的认识,以特定的器官或生物器件为目标,进行系统的结构设计与功能生长设计,认识在生命体单元的发展中,需要研究调控3D打印的细胞或基因组合,控制打印过程中的工艺对生命体的损伤,调控形成的器官或器件所具有的功能以及在细胞生长中所进行的干预和导向。需要认识3D打印与功能形成的关系,对功能的评价和测定,形成生命体单元-功能设计-无损伤打印-功能生成的研究体系,为制备具有生命体的器官和器件提供技术。

5.类脑的设计与制造

人工智能的深度学习是按照模型猜想、数据训练及不断的学习积累,甚至采用了生物遗传算法来实现其功能的,恰如飞机实现了鸟类的飞翔。 将来类脑是采用3D打印方法把生物芯片植入再造的器官或者人造脑中,或者学习人脑神经元的随机互联来制造功能强大的生物芯片,或者采用基因手段来完全仿制一个具有生物活性的大脑,实现人造大脑与人体原器官及若干人造器官的信息收集、决策控制与驱动等都是有待研究和创新的领域。。

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