器官移植4——3D生物打印挑战及打印公司一览

导 读

和义广业【行业分析】之器官移植，本篇文章主要介绍了3D生物打印目前存在的挑战，梳理目前世界范围内3D生物打印公司简介及相关产品介绍。

本篇共 4805 字，阅读时间预计 3-4 分钟

1.细胞活性与交联成型1：

对于喷墨式与挤压式打印，其难点在于生物墨水流出时承受的剪切力会损伤细胞，尤其是喷嘴尺寸减小后，而喷嘴尺寸决定了打印精度，细胞活性和打印精度难以兼得。

生物墨水图样化需要通过温控、化学处理、紫外照射等方式固定成型。然而这些交联方式都会对细胞、蛋白质等材料造成损伤;

2.仿生结构2

生物 3D 打印器官的生理功能与其三维结构密切相关，该三维结构需要从 3 个方面与人体组织进行匹配：

1)厘米尺度上人工器官的形态需要与解剖学形态匹配；

2)微米尺度上人工器官的多孔结构需要与组织、细胞生长需求匹配；

3)亚微米尺度上人工器官的材料表面形貌需要与细胞生长、分化需求匹配，亚微米尺度的材料表面形貌特征对细胞黏附、生长、分化具有重要影响。

前两者可以通过3D打印切片程序进行调控，后者需要结合工艺制备技术实现。仿生结构不是单纯意义上对天然器官形态的仿生模拟，而是对器官功能构建相关结构特征的仿生。

3.血管化

生物 3D 打印器官的构建难点，在于维持人工器官的存活和运作。为了维持人工器官的生物活性，需要实现器官的氧气和营养物质交换功能，因此血管化必不可少。目前，已有多种方法可实现生物 3D 打印器官的血管化：

1)3D 打印牺牲材料预留血管通道。但对于复杂走形和细末分支的血管构建存在困难；

2)同轴 3D 打印制作中空结构血管样通道。该方法构建的器官血管网络分布广泛且均匀，但对于血管分支构建存在困难；

3)体外及体内的预血管化培养。打印完成的人工器官，在灌流装置中诱导内皮细胞形成血管网络，或是暂时移植于受体皮下进行血管化诱导；

4)生物因素调控血管新生。在生物墨水体系中加入血管内皮生长因子（VEGF）、碱性成纤维生长因子（bFGF），促进血管生成。

4.多组织多材料打印

器官由不同的组织结构构成，每层组织的结构功能不大相同，其内部具备多种细胞、蛋白、生长因子等，材料分布非常复杂，精度非常高。为了实现器官的生理功能，需要多细胞多材料协同打印，现阶段生物 3D 打印大多利用单一功能的细胞作为种子细胞。

一、生物3D公司一览

（一）BIOLIFE4D

Biolife4D corp.是一家开创性的生物技术公司，目前只有12个员工，专注于利用生命科学和心脏组织的最新进展来3D生物打印适合移植的可行人类心脏。公司希望通过3D生物打印和患者自己的细胞创建患者特异性，打造功能齐全的心脏。

产品打印流程：

产品如下：

1、迷你心脏-用于药物和疫苗开发中的心脏毒性测试，无需FDA批准即可实现商业化，预计上市时间为2023年底，2024年初；

2、瓣膜与心脏补片

财务状况：

Biolife4D corp.目前仍处于研发阶段，截至招股说明书发布之日（2023年1月4日），公司尚未销售任何产品或产生任何销售收入，还处于亏损状态。

根据公司的招股说明书的财务数据，Biolife4D corp.在2022年第三季度的净经营亏损是73万美元，同比减少8.7%；前三个季度的净经营亏损为238万美元，同比增加63.5%。

截至2022年9月30日，公司的流动资产为33.6万美元，流动负债为160万美元，流动比率为0.21；公司的总资产为112万美元，总负债为268万美元，资产负债率达到239.3%。因此，公司的第三方审计公司对其继续运营能力表示严重怀疑。

（二）Regemat3D

REGEMAT的技术团队从2011年开始为BRECA健康中心提供个性化钛修复的假体和植入物。之后团队开始发展生物3D打印技术，建立了生物医学研究中心。2014年使用自主开发程序实现了含有细胞的水凝胶材料的生物3D打印。并与格拉纳达大学、马德里拉巴斯医院以及制药行业公司展开了合作。

产品：

图 REGEMAT 3D BIO V1打印机

REGEMAT 3D V1医学生物打印机特点：

1、支持Individual Pore Filling (IPF): 单独孔隙填充技术，这种技术能够提高细胞的稳定性和存活率；

2、支持Injection Volume Filling (IVF):注射填充技术，这种技术在使用高温热塑性塑料时能够改变填充量，提高细胞的稳定性和存活率；

3、支持Fused Deposition Modelling (FDM): 融熔堆积成型技术，主要用来打印可生物降解的热塑性塑料支架，这些支架通常在整个结构中起支撑作用；

4、X轴分辨率150微米、Y轴分辨率150微米、Z轴分辨率400纳米，喷嘴直径为01-0.5mm

（三）苏州诺普再生医学有限公司3

诺普再生成立于2016年，是一家专门从事生物3D打印的高新技术企业，专注于用生物3D打印技术研发出临床可及的产品，实现组织修复和器官修复。目前，公司已经自主研发出适合于临床应用的OPUS（OrganPrintingUnitedSystem）打印平台，可打印活性软组织产品、硬组织植入物等，能兼容各种生物细胞，营造出适合细胞长期存活的微环境。

OPUS平台的核心竞争内核体现在两方面：

实现生物打印材料（细胞、天然大分子、合成高分子等）同时打印。需要打印的产品既有软组织也有硬组织，存在异质性。简单来说就是不同的材料需要不同的打印工艺和打印机。OPUS平台实现了高低粘度、高低温度以及多种交联固化方式的材料的同时分区打印。

OPUS平台突破了普通打印尺寸的限制，并符合临床产品开发的环境控制要求。传统的生物3D打印机只能打印一些小尺寸的产品，无法满足临床上打印骨骼等大尺寸产品的需求，而OPUS在打印尺寸上，能够适应人体尺寸一次成型打印。

诺普再生研发的用于细胞打印的多种生物墨水，可以打印皮肤、软骨、间充质干细胞，营造出适合细胞长期存活的微环境，并且易于打印，可广泛支持临床应用。

打印工艺的关键在于构建精细三维结构，模拟类似细胞外间质的微环境，促进移植后组织或器官的功能化、血管化等，同时诺普非常注重临床实用性，兼顾机械强度、生物相容性、手术术式和使用便利等

（四）四川蓝光英诺生物科技股份有限公司5

蓝光英诺成立于2014年，为蓝光发展集团旗下3D生物打印高科技技术服务公司。蓝光英诺公司拥有独立自主知识产权的细胞封装技术，Biosynsphere®，译称“生物砖®”；

生物砖®技术一种细胞与生物材料的复合体，微球式细胞包裹技术，其包括种子细胞、核层和壳层。

核层由生物相容性材料构成，为包裹在其内的细胞提供最适合的生长微环境，促进细胞在生物砖内的增殖、迁移、分化以及发挥生物学功能；

壳层同样由生物相容性材料构成，为细胞提供充足的力学保护，避免其在应用过程中受到机械力的损伤，同时壳层能够维持生物砖整体结构的稳定。

生物砖®技术特点：

生物打印剪切力作用后生物砖®细胞活率整体维持在90%以上。维持干细胞干性；

为细胞提供有效的机械支撑和保护，生物砖®制作的墨汁在600μL/min的速率下进行生物打印，剪切力作用后保持完整结构；

维持细胞形态，增值以及细胞迁移，保障细胞生命活动。

应用：

1、干细胞再生血管REVOVAS®

REVOVAS®属于干细胞药械组合产品，2022年干细胞3D生物打印血管临床研究项目正式获得国家卫生健康委员会备案同意在四川大学华西医院开展临床试验。能形成中膜平滑肌层的生物血管，是全球首个由植入干细胞完全实现组织再生的细胞治疗类临床产品。

动物实验部分结果：

超声检测：REVOVAS®植入恒河猴后4周，干细胞实现血管内膜层再生。

CT检测结果：REVOVAS®植入恒河猴后1670天，完全再生的血管组织保持长期通畅

2、骨修复产品

干细胞生物砖®进行骨性关节炎损伤修复，现阶段已经观察到治疗组实现了大量软骨再生修复，伴随半月板样组织新生，其组织结构及形态均相对完整。

（五）Healshape

Healshape是一家再生医学生物技术初创公司，由6名员工于2020年1月在法国里昂创立。开发用于乳房再造和隆胸的产品。

Healshape假体采用基于天然和仿生材料的水凝胶 3D 打印而成，借助患者自身的细胞使乳房得以再生。女性患者将在6至9个月内恢复自己的乳房，而且没有生物假体的痕迹。

2022年1月23日，Healshape在A轮融资中筹集了680万美元（约4300万人民币）。

（六）Organovo Holdings5

Organovo成立于2007年，是生物3D打印领域中的老牌公司，是第一家全球知名的上市生物打印公司，其技术由其创始人 Gabor Forgacs 和克莱姆森大学的 Thomas Boland 授权。Organovo Holdings(ONVO.US)：2023年Q3财报实现营收13.1万美元，前值为0美元；每股收益为-0.37美元，前值为-0.40美元。

2015年，Organovo推出了其首款生物3D打印产品 — ExVive人类肝脏，ExVive人类肾脏是一种近端小管模型，能帮助科学家更有效地研究药物和特定治疗方法对人类肾脏的影响，从而加速药物开发进程。这种人工器官已经通过了功能性验证，被证明极其适合用于临床测试，比如其近端管功能可以维持超过四个星期；其组织复杂有助于检测损伤和恢复；其转化功能可帮助评估肾毒性和药物相互作用。

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肾脏的微静脉结构。

在3D打印肾脏的研究中，Organovo目前已经取得了如下几项关键的进展：

①成功将肾脏细胞“绑定”到了能精确模拟天然肾小管的血管结构上

②通过添加有毒物质完成了“3D打印肾小管药物测试”的概念验证

（七）BICO（Cellink）6

BICO（前身为CELLINK）是一家总部位于瑞典的公司，CELLINK公司研制出了首个通用型的生物3D打印墨水，适用于多种生物3D打印机。随后快速发展逐渐成为生物打印市场的全球领导者。

2015年，CELLINK推出了他们的第一个桌面系统，即INKREDIBLE。

2018年， CELLINK宣布以500万欧元收购德国生物分配技术公司Dispendix GmbH,并将公司的技术添加到其自己的生物打印解决方案中。

2019年，CELLINK宣布推出BIO X6，这是一款新型的六打印头生物3D打印系统。BIO X6能够在六个不同的位置同时使用不同的压力，温度和打印方法。打印头温度范围为4°C至250°C，打印床温度范围为4°C至65°C，在使用胶原蛋白和明胶等温度敏感材料时，可以精确控制温度。XY轴分辨率为1微米，Z轴分辨率为1微米。

据财报显示，BICO在2022年前3个季度的净销售额约合1.5亿美元，与去年同期相比增长了112%。

收购之旅：

2019年8月，Bico以3025万欧元收购德国生物技术公司Cytena，将后者单细胞3D打印技术收入囊中。

2020年8月，Bico以8000万欧元收购德国精密点胶公司Scienion及其子公司Cellenion，进一步掌握细胞3D打印技术。

2021年5月，Bico以5000万欧元收购德国3D微制造公司Nanoscribe，将2PP技术整合到自己的技术中，增加新的微纳级3D打印功能。

2021年8月，Bico以1500万美元收购美国3D研究应用公司Advanced BioMatrix，收获后者的生物墨水和试剂产品。

2021年12月，Bico Group以1.65亿美元收购了圣地亚哥生命科学自动机公司Biosero，进一步掌握了生物打印自动化技术。

（八）3D Systems

3D Systems（NYSE:DDD）成立于1986年，由“3D打印技术之父”Chuck Hull参与创建，经过30多年的发展，现在已发展成为一家全球化的3D解决方案提供商。

3D Systems 在2022年第四季度和2022全年的收入有所下降，主要是由于通货膨胀导致牙科正畸业务放缓。最重要的是，全年业绩显示收入下降 12.6%，从2021年的6.156亿美元下降到2022年的5.38亿美元。2022年的净亏损为1.227 亿美元。

2020年中期以来，3D Systems将战略重心调整为优先考虑工业和医疗业务，并大力投资生物3D打印技术的研发。该公司与生物技术专家United Therapeutics合作，在开发Print to Perfusion方面取得了重大进展，该工艺旨在实现3D打印支架，可以用活细胞 "灌注 "来创造组织。

2021年1月宣布了 "打印灌注 "技术的突破，它成功地创建了全尺寸的实体器官支架后，而后将Figure 4用于生物3D打印。此前，该技术已被应用于3D打印定制的听力设备。

2021年5月，3D Systems接管了Volumetric Biotechnologies公司之前收购的Allevi公司，该笔交易的成本可能在4亿美元（约27亿人民币）以上。在2021年6月就宣布了将要进行3D打印人体肺部支架试验的计划。

ALLEVI公司2014年8月成立于美国宾夕法尼亚州费城，其前称为BioBots。该公司是3D生物打印机及BIOINK的制造商，其使命是让3D生物打印更容易。

Allevi公司推出的一系列3D生物打印机能够利用胶原蛋白、蛋白质油墨和PLGA等生物聚合物进行3D生物打印，是众多实验室（如：麻省理工学院/哈佛大学，斯坦福大学，卡罗林斯卡大学，IMRE，IIT等）*的工具， 其用户中约90％是学者，麻省理工学院、维克森林医学院和澳大利亚卧龙岗大学编写了引用其硬件的论文。

2022年9月10日， 3D Systems宣布成立一个新的生物3D打印子公司公司Systemic Bio，是一家专注于将先进的生物打印技术，应用于药物开发的生物技术公司。

参考文献：

[1] 毛宏理,顾忠伟.生物3D打印高分子材料发展现状与趋势[J].中国材料进展,2018,37(12):949-969+993.

[2] 黄文华.生物3D打印在器官再造中的前沿热点和研究进展[J].器官移植,2022,13(02):161-168.

[3] 资料来源：动脉网

[4] 资料来源：四川蓝光英诺生物科技股份有限公司官网

[5] 资料来源：Organov官网与南极熊3D打印网

[6] 资料来源：BICO公司官网以及网络公开资料整理

封面图来源：图片来自视觉中国官网，侵删

作者声明：感谢本文参考资料作者，文中观点仅供参考，不恰当之处还望包涵指正，资料内容侵删。

作者：DU

排版：大大怪