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刘雳宇:生物3D打印或将引发医学新革命

近年来,3D 打印在医疗行业的使用比例持续增长,产品也逐渐获得了监管机构的批准。这主要是因为医疗行业(尤其是修复性医学领域)的个性化定制需求显著,且鲜有标准的量化生产,而这恰好是3D打印技术的优势所在。

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传统医疗常见的处理方式是根据病人的临床症状和体征,结合性别、年龄、家族疾病史、实验室和影像学评估等数据确定药物和使用剂量、剂型,而这种医疗模式正在悄然发生变化。近年来,我们常常会听到个性化医疗(又称精准医疗)这一名词,这是一门与传统医疗截然不同的定制医疗模式。随着辅助制造行业的快速发展,尤其是3D打印技术的大发展大繁荣,或将颠覆传统医疗模式。


目前,生物3D打印虽然应用范围广泛,但仍以研发需求为主,暂时难以面向消费市场,且存在着行业壁垒较高、上下游产业链尚未成型、监管政策和行业标准几近空白等问题。

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中国科学院物理研究所国家“青年千人计划”专家刘雳宇的研究方向之一是高精度生物材料3D打印技术、3D微流体生物芯片先进设计与加工,对于生物3D 打印有着自己的见解。近日,记者与刘雳宇近距离对话,以期通过他的视野了解当前生物3D打印的发展现状和重难点,为生物3D 打印和个性化医疗未来的发展提供新思路。


生物3D打印在中国


记者:在国际大背景下,目前生物3D打印的发展现状是怎样的?


刘雳宇:当前,生物3D打印主要应用在两个方面——第一类是面向生物医学的3D打印技术,这是目前市场发展应用的主流,基本上占90%以上。它主要是协助医疗机构进行手术和康复服务,比如打印义肢、心脏、肝、肾等模型,医生可以在做手术的时候对照这些模型,进行一些复杂的手术。这一方面,近两年在我们国家发展得如火如荼,应用也很有彰显力,具有很大的市场前景。但是,我认为这并不是真正意义上的生物3D打印。


我理解的真正意义上的生物3D打印指的是后者——基于生物体的3D打印技术,面向植入生物体的生物兼容性材料,或者以细胞为材料的打印技术。这是3D打印技术发展最前沿的方面,也是目前积极研究、重点攻克的方面,如果研发成功,其意义和价值是非常巨大的。这可以代表生物3D打印未来几十年发展的主要途径。因此,也是最困难、最有挑战性、却是在未来最有影响力的研究。


记者:那么,在生物3D打印的两个应用领域中,我国目前主要发展的是哪一方面?其应用处于哪一阶段?


刘雳宇:在我国目前第一类的3D打印技术,针对于辅助医生治疗的模型服务现在正在逐步开展,并且取得了明显的社会效应,比如北京大学第三医院将3D打印技术引入骨科治疗领域,进行了脊柱内的植物手术,复旦大学附属中山医院在国内首次将3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术(TAVI),等等。目前国内生物3D 打印应用范围较广的子市场之一是在牙科行业,例如当前热门的应用——3D打印牙槽骨。在短时间内,生物3D打印主要还是作为一些复杂手术的导航,简化手术难度。但是现在的问题是,3D打印手术作为复杂手术导航或辅助的功能并不完善,尚未达到质的变化,像进行粉碎性骨折修复这样难度的手术就很难做到。


记者:目前生物3D 打印发展迅猛,那么,在我国的市场前景如何?机遇和挑战分别是什么?


刘雳宇:众所周知,中国人口基数大,人口也在逐步进入老龄化。因此,对于医疗,特别是精准医疗的需求很大,如果生物3D打印技术成熟,可谓前景一片光明,因此不必考虑市场需求量不够这一情况。可以说,生物3D打印技术的市场和商业应用比其他3D打印的应用更广一些。因为人们(为了身体健康)是不计成本的。因此,只要技术过硬,能够挽救人的生命,能让病人的生活质量有所提高,基本上不需要过于担心定价方面的问题。


目前,公众对3D打印的概念已经有了一个基本的理解,接受起来困难不大,市场容量也很大。这是我经历过的所有前沿技术中,外部氛围最好的一种。另外,国家也出台了一系列政策和计划,比如《中国制造2025》就涉及到3D打印技术。当前,在精准医疗、智能制造的大背景下,对于开展生物3D打印的研究,前期孵化和后期产业化都是强有力的支持。生物3D打印技术可谓是处于前无古人的好时机。


但是机遇和挑战往往是并存的。目前,公众和政府都对3D打印有着很高的期望,如果3D打印技术不能像高铁那样尽快提供实质性的技术,让人们能够真切地感受到它所带来的变化,可能很快会失去人们的信任和支持,或者像克隆技术那样,发展热度有所下降。一项好的技术,一定要对公众产生实际的效果。3D打印技术,也一定要让公众切实感受到它带来的好处,相应的,生物3D打印也必须为公众带来医疗水平和生活质量上的提高。


记者:目前中国生物3D打印的发展与国外相比的差距表现在哪些方面?国外有无成功做法或案例?


刘雳宇:我国在技术储备上并不落后于国外发达国家,目前国内也不乏相关的人才,像国家“千人计划”专家,都是从国外回来的精英,有中西文化融合的经历和开阔的眼界。我国在技术上基本上是与国外同步的。


但是,3D打印是一个实实在在的应用型技术,从整体上来说,我国和国外的差距还是很大的。


就技术本身来说,在科研方面,社会的气氛比较激进,能静下心来做好原创技术的心态不够,从事科学和技术研究的人员应该具备务实的态度,不浮躁,不冒进。另外,许多资源整合得不够,科研单位和企业之间缺乏紧密的配合,存在碎片化的局面,缺乏凝聚力。生物3D打印技术涉及到方方面面的,技术和应用应该是无缝衔接的。


就其应用而言,一个产业的技术革命,必须要打破利益壁垒,让科研单位和企业都能释放活力,充分投入到这一场技术和产业革命中来。从国家层面来说,首先需要一个好的分配机制,其次要认识到不团结就会落后,落后就要挨打。如果科研单位和企业没有决心,闭门造车或者仅是仿制别国的技术和产品,生物3D打印的发展就一定会出现瓶颈。


找到差距的同时,国外有一些成功的案例可供借鉴。美国约翰?霍普金斯医院的一个应用物理实验室,为先天或者后天残疾的人做智能假肢。约翰?霍普金斯医院并非只是一个单纯的医疗机构,它有自己的实验室,有自己的科学家做基础研究。因此,研究出的成果会及时应用于临床,结合紧密。而在这方面我国发展得还是相对落后。我国需要形成企业、高校、科研院相互协作,互利共赢这样一个生态环境。


市场热的冷思考


记者:就技术层面而言,您认为生物3D打印发展的最核心的问题在于?这一问题您认为该如何解决?


刘雳宇:技术层面最核心的问题是材料,也就是具有生物兼容性、可复合3D打印原理的材料。这需要科研单位、企业研究对医学更有用的新生物打印材料,不要单纯追求广度和短平快。另外生物3D打印还较缺乏有展示度、领军式的医学应用,这就需要有一流的技术来配合,做出具有彰显力、而且能够在一般条件下广为应用的典范。同时,技术的应用还需要好的商业模式加以配合。


记者:“生物墨水”是生物3D打印发展的一个非常重要的方面,不仅成本高,而且材料特殊,近期有报道称外国科学家开发出含石墨烯生物油墨可3D打印神经元,是否可以理解这一问题或将得到解决?


刘雳宇:如果真如报道所说,这个成果是非常有价值的。但就我了解到的情况,报道所说的石墨烯生物油墨打印的并非神经元,而是构成神经元的支架,它能够支持干细胞在里面生长,实际上充当的是一个平台的作用。神经元是非常复杂的细胞,没有任何技术能够打出来,如果能打出细胞,就有可能打出组织,甚至打出人来,那是上帝扮演的角色。报道的内容和标题不是特别符合,文章中对该成果有更为详细和科学的介绍。就如我所说的那样,公众也许看到标题会产生误解,因此我在这里需要澄清一下。


记者:作为交叉学科,生物3D打印技术也亟须与不同学科进行交叉合作,我国在这方面做得如何?您认为该如何去搭建交叉学科的合作平台?


刘雳宇:如今,任何一项技术的发展都应该是以人为本,面向公众的,但是它核心的还是人才,生物3D打印技术有多种交叉学科的融合,比如说工程、物理、数学、信息、生物、医疗等等。在这种情况下,这项技术要做大做好,需要各方面的人才。就我了解到的情况,现在无论是科研机构还是企业,在这方面下的力度都不够,比如现在都提倡复合型人才,但高校在这方面做得还远远不够。


3D打印是一个新兴的产业,对于企业来说,在招聘人才时要精准布局,有人才才有可能实现研发上的突破性发展。要打破这个僵局,还是要有人出来吃螃蟹。发展3D打印,需要搭建一个交叉学科合作平台,即把一流的高校和一流的企业融合在一起,打造一个平台,大家在这个平台里交流合作。另外,还需要研究机构和企业一道打破技术和利益壁垒,在技术、知识产权和利益方面实现资源共享,这是目前的重点和难点问题。


记者:国内有学者提出“生物制造工程”的学科概念和框架体系,您认为这个设想对于我国生物3D打印的发展有何作用?


刘雳宇:这一设想有一定的指导意义,事实上这个概念由来已久,早在1998年“21世纪制造业挑战展望委员会”主席J.Bollinger博士就提出了生物制造的概念。我国学者也于2000年提到了生物制造。概念虽好,但却没有实施起来。现在做的研究大多是碎片化的研究,没有形成体系。对于一些有价值的概念或者设想,相关研究人员或者单位需要支持,但更需务实。具体落实到3 D打印的研制和推广,不能纸上谈兵。目前高校和科研院所培养人才的体制还较僵化,有时忽视了跨学科人才的培养;而企业生存压力本来很大,所以没有健全的人才培养理念,对实习生重视不够。从长远来看,这就需要科研院所、企业共同规划,不排除建立一些政策“特区”,让一些有想法,有行动力的院所和企业先行,达到旗帜引领的作用。


未来发展:步步为营,稳中求进


记者:在目前生物3D打印火热的市场前景下,您觉得我国应该如何抓住3D技术大发展的浪潮,推动我国生物3D打印技术的产业化发展?


刘雳宇:国家需要不断评估和支持一批具有潜力的对于3D打印的研究和应用,鼓励科研院校和企业深度融合,向产业化方向发展。最重要的是,如果有资金和政策的红利,需要不断监督和评估,实行淘汰制,最终选出一批具有领军意义的3D打印技术的研究机构和企业。


记者:康奈尔大学的胡迪?利普森教授曾提出一个“3D打印生命阶梯”的概念,您如何看待这个说法?这对于生物3D打印未来的发展有何启示?


刘雳宇:我认为这个概念提出了3D打印的最终目标和实现的途径,把人类几百年后3D打印技术发展的轨迹都规划出来了。但是我认为,这个生命阶梯的概念虽好,我们却不必把目光投得太远,生物3D打印目前能够把每个阶梯充实完善就很不容易了,因为每一个阶梯都需要和许多技术进行无缝的连接和融合。和其他技术,比如机器人技术,信息技术融合一样,生物3D打印的发展是一个循序渐进的过程,切忌好高骛远。总的来说,这个阶梯的概念是非常好的,它所阐述的关于生物3D打印未来的发展趋势也是毋庸置疑的,但是我们必须着眼于当下,把每一步做好,精益求精。


记者:有报道称,生物3D打印或将引发医学新革命,您怎样看待这个设想?生物3D打印或将为人类社会带来哪些变革?


刘雳宇:每当一项高新技术出来,人们就会把它和新变革、新革命挂钩,但是究竟结果如何最终还是取决于我们现在的努力,以及努力之后是否能够实现这一设想。在未来,3D生物打印或许能让我们生活得更健康,甚至改变我们的医疗方式。比如,配合3D影像和智能机器人技术,未来3D打印也许可以很快对于烧伤的病人进行组织修复,可以为战场上的士兵提供伤口定制的止血修复,甚至可以让美容整形手术标准化,定制化。这些都会是革命性的进步。


记者:对于生物3D 打印未来的发展,您有何建议?


刘雳宇:将来研发的生物3D打印技术,无论是可降解的组织框架还是活体组织细胞。盈利模式依靠耗材和打印服务会成为主流,设备销售只是辅助我们市场铺面和营造产品宣传。前期,线上主要通过代加工和服务平台迅速提高我们的品牌知名度。线下则可以通过医院和政府进行宣传,开办免费体验店和医疗支援,扩大产品影响力,对现有医疗技术的实用性帮助和国民认知度。后期,等品牌影响力成熟后,可以要针对普遍性的医学难题,研究出新型具备自足知识产权的生物3D材料。


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