增材制造
3D 打印人体器官——有多逼真？
Securities.io 秉持严格的编辑标准，并可能通过审核链接获得报酬。我们并非注册投资顾问，本文亦不构成投资建议。请查看我们的 会员披露.
3D 打印领域正在以惊人的速度扩张。据估计， 3D 打印的全球市场规模—产品和服务—将在 2020 年至 2026 年间增长三倍。12.6 年市场价值为 2020 亿美元，到 37 年可能增长到 2026 亿美元以上。
应用程序市场的激增 得到了有力的支持 创新空间——无论是在机构层面还是在企业/公司层面。例如，美国大型科技公司在 3D 打印领域非常活跃——从它们自 2010 年以来发布的专利数量就可以看出这一点。例如，通用电气公司已经发布了多达 342项专利 在2010和2019之间。
然而，3D 打印领域始终面临着现实适用性这一关键问题。虽然它一直是一个令人兴奋且诱人的科学探索领域，但许多人还是会问：“它有多现实？”
最近，一项成功的实验证明了 可能 弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的一个研究小组开发出了 人类兼容器官的第一个构建模块的模板 按需求印刷。 在接下来的部分中，我们将更详细地研究该实验及其成果。
具有可控机械性能、与各种人体组织相匹配的生物材料
该实验由蔡立恒和朱金昌领导。蔡立恒是材料科学与工程和化学工程系的助理教授，朱金昌是他的博士生。 学生。
他们采用的生物打印方法称为球形颗粒数字组装 (DASP)。该技术将生物材料颗粒沉积在水基支撑基质中 构建 3D 结构，为细胞的生长提供有利环境。
在期刊上发表他们的研究成果时 自然通讯，科学家们将该报告命名为“模块化双网络生物墨水滴的体素化生物打印“体素”这个术语源于这样一个事实，即打印过程遵循“体素”（像素的 3D 版本）构建 3D 物体的方式。
在解释他们的研究为科学界带来的突破时，朱金昌说了以下几点：
“我们的新型水凝胶颗粒代表了我们制造的第一个功能性体素。通过精确控制机械性能，该体素可以作为我们未来打印结构的基本构件之一。”
为了更具体、更贴近普通用户，朱强调了他们的技术与其他生物打印方法相比的突出特点。他强调了他们的技术中的“控制”元素，这使得它 可以打印类器官。
这些类器官不过是 3D 细胞模型，可以作为人体组织发挥作用。它可以 利用杠杆 在我们不断发展的治疗方法探索中研究疾病的进展。
与现有生物打印技术相比，这是一个巨大的飞跃
朱教授称他们的创新与现有的生物打印技术相比是一次“重大飞跃”，因为它“坚固且对细胞友好”。实验中使用的聚合物水凝胶颗粒可以通过调整单分子单体的排列和化学键来模拟人体组织，这些单体以链状连接在一起形成网络。
与其他类似的解决方案相比，蔡和朱提供的解决方案毒性更小，生物相容性更好。
研究团队还在生物打印机的使用方面取得了重大进展。他们设计的多通道喷嘴可以根据需要混合水凝胶成分。 它帮助解决了以下挑战： 超快交联， 在60秒内将液滴转化为有弹性的水溶胀凝胶。
DASP 技术通过将大液滴从狭窄且快速移动的喷嘴沉积到基质中并立即悬浮，消除了这一瓶颈。从某种程度上讲，它解决了软物质科学和 3D 生物打印领域的一个核心问题：粘弹性体素的精确操控。蔡在总结这一成就时说：
“我们现在已经为体素化生物打印奠定了基础。一旦全面实现，DASP 的应用将包括人工器官移植、疾病和组织建模以及筛选新药候选药物。而且它可能不会止步于此。”
正如我们已经看到的，围绕 3D 生物打印的创新已经持续了很长时间。因此，很明显许多知名公司都采用了这项技术。在以下部分中，我们将研究两家在生物医学领域推动这一领域的公司。 医学科学和保健技术。
＃1。 诺斯韦尔健康
该公司声称“100% 致力于成为首个采用 3D 打印的医疗系统 你的治疗”。 Northwell Health 最重要的干预措施之一 该领域的研究已经集中在假肢方面。
电子产品生产专员 3D打印 两栖假肢. 解决办法是 一种允许截肢者无需更换假肢即可进入和离开水的脚蹼。
这款鱼鳍的优势在于采用了最先进的碳纤维材料，并利用符合人体工程学的造型，确保持久高效的运动。Northwell 使用碳纤维增强尼龙打印鱼鳍，重点在于其强度和柔韧性。 此外，它的耐用性使其适合在陆地和水中使用。
这种鳍片具有独特的材料动力学。它的特点是圆锥形的孔，可以控制通过的水量。这些孔的设计和排列允许 水中的自然阻力和推进力。 孔的数量可以根据截肢者的具体需要进行调整。
Northwell Health 长期以来一直是开发 3D 打印身体部位详细模型的领军企业，这些模型可帮助外科医生更好地规划手术。该公司早在 3D 打印成为一种蓬勃发展的趋势之前就意识到了它的潜力。
Northwell Health 2018D 设计与创新中心主任 Todd Goldstein 在 3 年的一句话中说道 下面说:
“3D 打印在医学领域的应用使我们能够将患者的解剖结构从计算机屏幕上提取出来并放到医生手中。这种技术对所有相关方来说都是一场变革，因为它允许医生 更好地观察病理，允许患者 真正了解需要什么治疗并允许在几乎所有专业领域进行更精确、针对患者的治疗。”
2023 年，Northwell Health 在相关机构注册的 收入 16.9亿美元和 EBITDA 利润率为 6.3%。
＃2。 灵能
另一家公司一直在做 在这一领域最杰出的作品是 Psyonic。Ability Hand， Psyonic 的旗舰产品，是世界上速度最快的第一只触觉感应仿生手。有望恢复生命和行动能力，PSYONIC 利用 3D 打印高效地制作原型，提高经济性和可访问性，并增强耐用性和抗冲击性。
Psyonic 通过在仿生手指尖加入传感器，为其解决方案增加了显著的价值，当佩戴者抓握物体时，传感器可以检测压力并向手臂发送振动来传达这种感觉。
因此，手部使用者可以感受到动作，并轻松、舒适、无缝地处理最精密的物体。 它的韧性使其能够承受钝力冲击而不破裂。它还具有防水功能，并配有各种抓握模式，可供全天使用。
Ability Hand 总共提供 32 种握持模式，其中 19 种是预定义的，可供使用。它重量轻，仅重 490 克。 它是多关节的，五个手指都可以弯曲和伸展，拇指可以电动和手动旋转。
可以充电 一小时内即可使用 USB-C 连接。它具有交叉兼容性，可与大多数第三方 EMG 模式识别系统、EMG 直接控制系统、线性传感器和力敏电阻配合使用。
根据最新的可用资金信息，Psyonic 的众筹股权活动迄今已筹集了 1 多万美元。
从这些 3D 打印人体器官的例子中可以看出，实际上，3D 打印人体器官并非遥不可及的梦想。虽然我们最近已经讨论了该领域最重大的突破之一，但我们将探索更多相关研究，以了解未来的巨大潜力。
3D 打印的未来：尽可能接近现实
水凝胶在 3D 打印器官的生产已有一定历史。 A 2022年研究报告 引用了拜罗伊特大学托马斯·谢贝尔教授领导的研究小组的例子，该小组利用3D打印技术将蜘蛛丝与小鼠成纤维细胞混合，成功生产出一种“生物墨水”或水凝胶。
当凝胶流过打印头到达挤出表面时，它可以迅速从流体转变为固体状态。 被找到 至 使用 使用蜘蛛丝支架和心肌细胞复制心肌组织。
2023 年的一份报告全面调查了使用 3D 打印复制人体器官的现实情况，声称这“很快就会成为现实“。 文中引用了许多例子，表明所有可能的影响下，未来都是充满希望的。
例如，2022 年，在德克萨斯州圣安东尼奥，阿图罗·博尼拉 (Arturo Bonilla) 医生为一名 20 岁的女性（天生无耳）植入外耳，方法是将右耳的形状和大小与左耳完全相同。这个案例至关重要，因为这是首次使用 3D 生物打印机利用该女性的软骨细胞打印出植入的耳朵。
波兰的研究人员还打印出具有稳定血流的胰腺功能原型。该实验在猪身上进行，并观察了两周。与此同时，研究人员也在努力将这些技术应用于人类肺部。仿生胰腺的创造者 Michal Wszola 和 United Therapeutics Corporation 用 3D 打印出了一个人类肺部支架，该支架有 4,000 公里的毛细血管和 200 亿个肺泡（微小的气囊），可以在动物模型中交换氧气。
维克弗斯特再生医学研究所的科学家开发了一种移动皮肤生物打印系统。他们相信，很快就能将打印机推到患有烧伤等无法愈合伤口的患者的床边，扫描并测量伤口面积，然后将皮肤一层一层地直接 3D 打印到伤口表面。
Tal Dvir 教授是以色列特拉维夫大学组织工程与再生医学系主任。他的团队率先开展了 3D 打印“兔子大小” 心，里面有细胞、腔室、主要血管和心跳。在谈到这项发明及其未来潜力时，Dvir 说道：
“我们现在正在研究起搏细胞、心房细胞和心室细胞。看起来不错。我相信这就是未来。”
健康专家认为，人类文明的 3D 打印器官能力将帮助 106,000 名器官捐献等待者。每天，有 17 名患者在等待期间死亡。能够 3D 打印人体器官将拯救许多人 住。
斯坦福大学生物工程系助理教授 Mark Skylar-Scott 表示：
“过去二十年来，该领域发展迅速，从打印膀胱到现在可以打印高度细胞化的血管组织， 被连接 到泵——以及类似于带有集成心脏细胞的心脏组件的复杂 3D 模型。”
现在几乎可以肯定，3D 打印人体器官将带来革命性的变化 我们的治疗程序和护理系统。 但它必须克服一些挑战。
例如，它必须更耐压。生产和制造在原材料兼容性方面必须更具包容性。它必须提高能源效率，以便 它可以扩大 更快。
它必须消除 3D 打印机排放的挥发性有机化合物，这些化合物通常具有致癌性和毒性，并可能导致严重的健康问题，如器官损伤、喉咙刺激和恶心。最后，它必须具有成本效益和可负担性，才能造福全球大量未接受治疗的人群。
