生物3D打印的影响

生物3D打印(3D bio-printing)是工艺添加剂制造的生物医学应用,以生产人造生物组织。 生物3D打印可以定义为活细胞和其他生物产品的空间结构,通过使用逐层计算机辅助沉积方法堆叠和组装它们来开发用于组织工程,再生医学,药代动力学等的活组织和器官。一般生物学研究。 这是最近的创新,它同时定位活细胞和逐层生物材料来制造活组织。 印刷器官的主要用途是移植。 目前正在对心脏,肾脏,肝脏和其他重要器官的人造结构进行研究。 对于更复杂的器官如心脏,也研究了诸如心脏瓣膜的较小构造。 一些印刷器官已经达到临床实施,但主要涉及空心结构,例如膀胱以及血管结构。

历史
1938年,诺贝尔医学奖获得者亚历克西斯卡雷尔和航空先驱兼充满激情的发明家查尔斯林德伯格提议种植器官。 我们必须等待再生医学的出现,这种再生医学试图用健康的器官取代人体受损的细胞,看看是否出现了第一次移植。 然而,患者拒绝的风险很重要,并且需要医学界的预防措施。

这是生物3D打印技术的21世纪。 它允许用患者细胞定制生产组织或器官,从而最大限度地降低排斥风险。 它由数字设计预定义的生物组织(细胞)成分组成。 目标是寻求重现人体自然完成的细胞三维组织。 该技术使用3D打印的逐层原理。 生物3D打印被定义为一种颠覆性技术,因为它源于物理学,生物学,机械学和计算机知识的分组。 由于最近发现了这项技术,今天的应用受到限制,但从长远来看,预期的应用很多并且具有创新性。

3D器官印刷于2003年由克莱姆森大学的托马斯·博兰(Thomas Boland)首次使用,他获得了喷墨印刷用于细胞的专利。 该方法使用改进的系统在放置在基底上的三维基质中沉积细胞。

自Boland的第一次实验以来,生物结构的3D打印(也称为生物打印)已经发展起来。 已经开发了新的印刷技术,例如挤出印刷。

器官印刷很快被视为全球移植器官短缺的潜在解决方案。 印刷器官已成功移植。 特别是,诸如皮肤,血管组织(例如血管)或中空器官(例如膀胱)的组织。 人造器官通常由接受者自己的细胞制成,这消除了与排斥风险相关的问题。

印刷更复杂的器官是世界各地进行深入研究的主题。 例如,心脏,胰腺,肝脏或肾脏。 从2017年开始,这项研究尚未导致移植。

功能
生物打印机的工作方式与基于FDM流程的3D打印机类似。 挤出机由织物制造模具,在这种情况下没有热塑性塑料如ABS,而是聚合物凝胶。 B.基于藻酸盐,具有包封的活细胞。 Organovos Bioprinter使用另一种有前景的技术滴下液滴,每种技术含有约10,000至30,000个单细胞。 这些后来甚至在功能性组织结构中也被合适的生长因子刺激。

生物打印机具有特殊组件,例如温度调节,这对于正确打印非常重要。

医疗用途
出于医学目的,生物打印机(在实验领域中)自2000年以来就已为人所知。即使在今天,也不可能通过实验来打印由几种组织类型组成的器官。 研究往往更倾向于通过印刷过程建立相对粗糙的细胞聚集,然后通过生物自组装“成熟”到器官中。 一个主要问题是,例如,产生功能性血管系统。

然而,似乎可以想象,用它们创造的生物打印机或器官有朝一日可以取代供体器官。 生物打印机器官的一个优点是可以精确调整到预期的身体。 对于供体器官,必须等到可用的器官尽可能合适。 然而,通常不太可能获得供体器官。 持续数小时的人造器官的“压力时间”可能成为急性意外伤害的障碍。 使用普通3D打印机打印并由金属或塑料制成的移植不算生物打印,因为不使用细胞。 在3D打印过程中已经产生了由磷酸钙制成的较小的骨碎片或假牙。 然而,习惯上使用特殊养牛的材料作为骨头。

合成生物学
在合成生物学中,生物打印机可用于印刷新的生命形式。 合成生物学的一个轰动性结果是“medusoid”,一种可以游泳的大鼠和硅胶肌细胞的人造“水母”。 然而,这不仅是由Bioprinter生成的。

食品工业
此外,为了生产肉类等食品,生物打印机可以大规模使用。 根据该公司的说法,Modern Meadow已经印制了美味的肉类,这种肉类的生产比牲畜和屠宰更省力。 该公司希望结束屠宰。 目前,没有“印刷”的肉可商购,尽管这在风味和健康方面已经是可能的。 维也纳技术大学材料科学与技术研究所的Stampfl教授估计,2013年印花肉的成本至少为50,000欧元。

这种食品工业的讽刺已经在1976年的电影“Brust oder Keule”中展出,其中LouisdeFunès扮演主角并秘密入侵一家工厂,例如人工制作鸡肉。

外表
2017年,生物打印机的成就仍然有限,科学家们寻求改进和发展现有技术。 功能性生物3D打印技术的假设将提供许多应用的观点。

移植
主要目标仍然是手术移植。 来自受体细胞的印花器官也有助于避免排斥的风险。 这将挽救数千人的生命,降低医疗费用并满足不断增加的器官需求。 应该指出的是,在2006年(12,531名申请人)和2014年(20,311名)之间,机关申请人的数量几乎翻了一番。 但这需要时间和经验,因为你必须创造一个复杂的血管形成氧化和喂养器官。 目前,很难重建复杂的血管。 此外,创建的器官只能在有限的时间内存活,并且目前只有很小的尺寸。 然后它们在人类中无法使用。 创造和应对器官短缺将等待几年。

皮肤印迹的目的尤其是通过制造适合于患者伤口38的织物来治疗大烧伤。目前,通过从患者身体(自体移植物)移除未损伤的组织或通过使用皮肤捐赠来进行移植。 这种手术通常会受到免疫系统排斥的痛苦或制裁。 根据D r Marc Jeschke的说法:“90%的烧伤发生在低收入和中等收入阶段,死亡率和发病率都较高,卫生保健系统配备较差,烧伤治疗设施也不足。使用患者自身干细胞再生皮肤可以大大减少发展中国家的死亡风险。“ 值得注意的是,在法国进行的移植手术数量正在增加:2006年为4,428例,2014年为5,357例,但与要求相比,这些数字仍然非常低,因为2006年只有四分之一,2014年只有三分之一以上的申请人本来可以被嫁接。

打印机的改进和扩散将允许从患者的干细胞打印单个细胞组织以移植到患者身上。 然后,在医院安装生物打印机,按需印刷生活用纸和定制。 而且还设想通过印刷细胞层序列直接印刷人体上或人体内的组织:产生可直接植入患者体内的移植物,组织。 因此,生物3D打印将成为从患者细胞产生组织的解决方案。

假肢
生物3D打印假体:使用生物假体和植入材料进行印刷将限制接受者的排斥和感染风险。 研究人员依靠使用全有机材料和干细胞来实现这一目标。 请注意,此类移植仅用于某些病理,如气管切开术,这会留下严重的后遗症,如语言丢失和高感染风险。

医学研究
生物3D打印可以生产用于医学,药物和毒理学研究的生物组织。 目标是创建由患者细胞制成的个体化组织,允许在这些组织上体外选择治疗并开发个性化治疗解决方案。 “这些公司面临的主要问题之一是能够准确评估新疗法对人体细胞,特别是肝脏细胞的毒性。1990年至2010年间,25%的治疗方法退出市场或滞留在第3阶段因为对肝脏的毒性作用“。 这种类型的应用程序还可以降低搜索成本。

例如,在癌症领域:可以通过患者自身组织的3D重建(考虑到肿瘤的细胞环境)来测试化疗。 癌症肿瘤的连续印刷将允许研究人员测试化合物,从而针对给定突变靶向最有效的分子。 目前,患者被用作这些测试的豚鼠。 目前治疗的开发时间很长,并且可以通过生物3D打印病变组织来加速。

生物印花织物的使用可以降低新疗法的研发成本和过程。 根据一项研究,“1997年至2011年间,前12家制药公司花费了8,025亿美元用于研发,最终批准了139种新疗法。因此,导致单一药物商业化的过程平均花费57.7亿美元。换句话说,投入的资金中有40%没有超出实验室阶段“。 化妆品和制药公司为生物3D打印研究实验室提供重要的财务支持。

体内印刷
体内印刷是直接印刷患者的组织。 例如,BioPen能够通过注入干细胞与生物聚合物凝胶(藻类提取物:加速再生的蛋白质)的混合物来修复骨折和伤口。 将该混合物组合在BioPen中,足以将连续的层叠加在骨的表面上或缺失的软骨以填充受损区域。 附在笔上的紫外光源可立即固化物质。 随着时间的推移,保护凝胶降解,细胞繁殖和分离成为神经,肌肉,骨细胞来修复该区域。 该技术可以提高准确性并缩短手术时间。 她曾出现在澳大利亚卧龙岗大学,实验室测试是确凿的,但临床试验将很快在墨尔本圣文森特医院开始。 然后可以立即修复骨折,为什么不修复皮肤和器官。 例如,体内印刷特别是在烧伤的大伤口上进行了测试,希望能够直接在战场上治愈严重伤口的士兵。

合成肉
一家美国创业公司Modern Meadow筹集了35万美元,用于打造能够印刷肉类的3D打印机。 这项技术可以避免杀死动物喂养人类,使肉类生产更环保,更经济。

超人
植入假体可以通过更换人体部位,甚至创造超人体,例如普林斯顿大学的科学家创造的仿生耳,来提高预期寿命。

碰撞
3D生物打印通过允许对称为生物材料的创新材料进行研究,有助于组织工程医学领域的重大进步。 生物材料是适用于打印三维物体的材料。 一些最着名的生物工程物质通常比一般的身体材料更强,包括软组织和骨骼。 这些成分可以作为原始身体材料的未来替代品,甚至改进。 例如,藻酸盐是一种阴离子聚合物,与一些人体结构材料相比,具有许多生物医学意义,包括可行性,强生物相容性,低毒性和更强的结构能力。 合成水凝胶也是常见的,包括基于PV的凝胶。 由Wake Forest Institute of Medicine评估了酸与UV引发的基于PV的交联剂的组合,并确定其是合适的生物材料。 工程师们还在探索其他选择,例如印刷微通道,可以最大限度地扩散邻近组织的营养和氧气。此外,国防威胁减少机构旨在打印心脏,肝脏和肺部等微型器官作为测试的潜力新药更准确,也许消除了在动物身上进行检测的必要性。

法律方面
由于生物3D打印是一项相对较新的技术而尚未成功,其法律方面仍然存在广泛的问题。 这包括法规,专利,与这些相关的问题以及知识产权法。

一般公众尚未获得生物3D打印(以及大多数生物制造技术)。 因此,以下段落中关于该技术的各种法律问题的建议解决方案仅是命题。

Related Post

政策法规
国家对新技术的研究和监管方面的干预对后者的未来至关重要。 关于生物3D打印,过度限制的规定可能导致印刷器官的黑市。 因为如果获取生物功能性印刷产品太难,它确实可能导致二级市场,其中既不保证服务也不保证产品质量。

以下命题来自Jaspar L. Tran,摘自他的文章“生物打印或不生物打印”:

禁令
最简单的解决方案可能是禁止围绕生物3D打印的所有活动,但这将结束一种有可能长期挽救大量人类生命的技术。 另一种解决方案是禁止研究和紧急情况。 这是一个类似于前一个的解决方案,但这一次,允许继续研究和实验。 但是,有资格的人进行研究工作,资金来源(私人/公共)等问题仍有争议。

自我调节
与禁令截然相反的解决方案是实施,根本没有监管。 因此,国家依靠其公民和他们自己管理市场的能力。 这是基于个人会做“正义”和道德的事情的假设。 在生物3D打印的情况下,可能会考虑这一点,因为生物3D打印几乎没有风险。 例如,国家仍然可以通过教育和向公众传播安全指示来支持这项技术。 但是,这将消除在该领域获得新发明专利的可能性,这可能会降低研究预算。 总是有可能通过资助研究。

授予专利和知识产权
专利和知识产权在任何具有巨大商业化潜力的新技术中占主导地位,生物3D打印当然是这种技术的一部分。 根据我们可以确定生物3D打印的不同专利可以属于的五个主要类别:

水凝胶/细胞外基质材料(ECM)
分离和细胞生长
生物反应器
制造/分销方法
新的3D打印方法

专利原因
我们必须能够提交生物3D打印专利,以促进创新,并允许发明者恢复投资回报。 请注意,生物3D打印仍处于起步阶段,如果没有额外的研究和开发,这种技术可能会像克隆技术那样停滞不前。

问题
生物3D打印专利的问题在于,法律通常禁止人体生物的专利(见生命的可专利性)。 但在生物3D打印的情况下,事情并非如此简单。 应该知道,如果产品是由人创造的并且在自然界中不方便出现,则该产品是可获得专利的。

从技术上讲,与生物3D打印相关的一切都是独创性和人类创造的结果:制造过程以及生物3D打印器官。 更难以证明的一点是,生物3D打印产品在自然界中不会自然出现。 如果器官或印刷组织是人体器官或组织的精确复制品,则生物3D打印产品不能获得专利。 因此,生物3D打印的组织虽然它们与人体组织非常相似(在功能水平上),但是(目前)在结构上与后者不同,这使得它们可以获得专利。

可以避免各种挑战和反对生物3D打印产品可专利性的解决方案是仅对制造过程申请专利,而不是产品本身。

道德和社会辩论
生物3D打印是越来越多研究人员感兴趣的话题,科学文献证明,该论文的主题数量正在迅速增加,从2012年到2015年的202.然而,生物3D打印是一种技术,可能引发许多道德辩论,并引发一些道德问题。

2016年,来自新加坡国立大学的研究人员发表了一篇文章,提出了一种有条不紊的综合方法,将道德问题引入生物3D打印研究的最前沿。

社会分层
生物3D打印是一种近期且可能很昂贵的技术。 只有一小部分富裕人口才能进入。 获得这种技术的机会不平等可能会导致社会分层,使人们在收入的基础上进行分工,从而使更长寿,更健康的人生活更加富裕。

使用干细胞
生物3D打印特别基于干细胞的使用,干细胞具有能够繁殖和专业化的优点。 根据这些细胞(胚胎)的来源,可能会出现道德和社会问题。

风险
干细胞的使用和合成器官产生所必需的强烈细胞增殖表明,不排除细胞增殖的某些风险。 这些风险包括畸胎瘤或癌症的形成,以及植入物的移位或迁移。 大多数生物3D打印研究在短期内显示出令人信服的结果,但有必要进行体内研究以评估长期风险。

关于胚胎干细胞的讨论(ESC)
胚胎是组织工程多能干细胞的一个非常有趣的来源,但胚胎的收集和使用热烈争论话题。 这些辩论尤其受到文化和宗教因素的影响。

宗教的不同立场
2003年,2003年2月在“实验医学与生物学进展”上发表的一项研究报告了不同宗教如何看待胚胎干细胞研究和治疗性和生殖性克隆。

天主教和东正教禁止对CSE进行研究并拒绝所有形式的克隆。

新教徒接受CSE和治疗性克隆的研究,如果他们合理和道德地进行,但拒绝生殖性克隆。

与新教徒一样,穆斯林接受研究和治疗性克隆,只要在不到4个月的胚胎上完成。 然而,他们拒绝生殖性克隆。

只要克隆是无菌的并且胚胎使用不到40天,犹太人就其本身而言接受研究和克隆。

最后,关于佛教徒,他们反对对胚胎干细胞和治疗性克隆的研究。 另一方面,它们接受生殖性克隆,条件是不进行遗传修饰。

国家认知的差异
2006年发表了一份报告(超出了胚胎和干细胞研究的允许性:实质性要求和程序保障措施),其中包含了有关在多个国家使用和研究胚胎干细胞的现行法规的比较分析。注意到治疗性克隆和胚胎干细胞研究因国家而异。

法国,德国,西班牙,意大利,奥地利,爱尔兰,以色列,瑞典,比利时,印度,加拿大和澳大利亚禁止进行治疗性克隆。 相反,它在英国,丹麦,日本,荷兰和韩国获得授权。 可以看出,尽管地理位置接近,但各国的立场也各不相同,爱尔兰禁止使用治疗性克隆,但在英国允许使用。

大多数采用禁止研究和使用胚胎的法规的国家都使用道德理由,认为只有改善发育条件和胚胎健康的操作之一是可以接受的。 因此,通过仅允许有益于胚胎的研究而忽略任何其他科学目的,该政策赋予胚胎合法地位。

相反,一些国家广泛接受胚胎及其干细胞的研究,因为他们认为减少人类的痛苦和死亡(与人类胚胎相对)更为重要。 因此,该研究被认为是一种治疗研究。 在一些国家,如瑞士,日本,法国,巴西和冰岛,我们接受体外胚胎研究,只要它有助于治疗领域的重大进展。

这些强烈的观念差异可能会强烈影响生物3D打印的接受程度。 因此,重要的是研究和反映这些观念是复杂的,并且主要与宗教,文化和政治影响有关。

Share