生物制造工程材料前景诱人

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日期: 2005-03-18 今日/总浏览: 2/2490- y" j2 N$ r: Q! D" g) e

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' x+ n6 d) \* {  `  Q$ g" a) w0 k7 k——访清华大学生物制造工程研究所
- T4 o: F' E5 T! m3 @0 E# y制造技术伴随着人类文明的进步而不断发展，为我们的生活提供了重要的物质基础。在人们的印像里，制造技术是与家用电器、交通工具、武器装备联系在一起的，而记者日前在清华大学生物制造工程研究所采访时，却发现制造技术已开始为人类器官的修复与再生服务了。4 ]! z0 V0 a1 }. i5 i1 g

+ l! M0 M. T) P9 b: y抓住发展机遇# N: b/ [3 `! Q3 S9 w+ ~
　　器官的损伤和衰竭是威胁人类生命、影响人类生活质量的重要致病因素。在古希腊神话中，为人类盗取火种的普罗米修斯拥有一个能不断再生的肝脏，它给人类的“创作者”带来了无限的痛苦，却也寄托了人类战胜病魔的希望。而器官的移植、修复和再造已成为现代医学的重要研究课题。特别是器官的修复和再造，综合了当今最热门的生物医学（如：干细胞技术等）及相关科学技术，希望通过人为的方式，启动并辅助生物体自身的生长、发育和再生修复功能，实现人类千年的器官再生梦想。# p) w* J- R6 u- d# X3 U! q
　　为了这一梦想，上世纪末美国提出了组织工程的概念，希望利用生命科学与工程科学的交叉融合来解决人类组织器官的治疗、修复以及再生课题。
' K. q# ~+ v! e　　记者在清华大学的生物制造工程研究所的陈列窗中看到了用生物成形机床加工制造的骨再生支架、血管再生支架和利用活细胞人工组装成的三维结构。研究所所长颜永年教授告诉记者，现代细胞生物学、分子生物学和生物材料科学的发展、交叉，已经可以部分地解决组织细胞的获取、分化、培养、增殖、保存等问题，但要将细胞发育成具有一定功能的组织或器官，还要解决细胞三维生长环境的结构性问题，而结构的成形制造正是制造科学的用武之地。近年来在美国十分流行的“计算机辅助组织工程”就是针对这一要求提出的。其基本思想就是运用计算机辅助技术进行人类组织器官的三维重构、生物信息的模拟分析以及组织工程支架的设计与制造。而中国的机械制造科学家也早已抓住了这一难得的发展机遇。
* N: S& S+ t* {; o" a  m, u　　生物制造工程研究所由清华大学生命科学与医学研究院和机械工程系共建，其前身是清华大学激光快速成形中心（属国家CIMS工程研究中心）。该中心于1991年开始进行激光快速成形技术的研发，开发出了多项填补国内空白、具有自主知识产权的快速原型技术和产品，获得过国家科技进步二等奖。自1998年，该中心利用其掌握的核心技术开始生物材料的加工成形，在国家自然科学基金、863高科技计划和清华大学985经费的支持下，逐步形成了独特的技术优势，并于2004年成立了生物制造工程研究所。7 a+ A2 Y2 o* Q4 H9 N* l, N( K
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细胞变“材料”+ N$ P9 u  t) Q8 U: \4 X% J5 N
　　记者在参观中看到，利用叠层实体制造技术制造的个性化骨盆和头盖骨模型，这些与病人实际骨骼一模一样的模型曾为医生和假肢制造工程师提供了直接的帮助，极大提高了假肢的设计制造精度，缩短了手术时间。在橱窗里记者发现了一个长在老鼠背上、惟妙惟肖的人耳，这是利用熔融沉积制造技术制造的聚氨酯多孔非降解耳软骨支架在老鼠皮下撑起的。这一研究成果如果得到临床应用，可以为众多的“小耳畸形”和外耳损伤患者带来福音。
; V6 t" Y+ Y( m' K/ j# a1 [　　在组织工程支架的制造技术方面，颜教授领导的课题组独创了低温沉积制造工艺。该工艺不同于国外的支架快速成形方法，支架材料不必经过高温熔融状态，避免了高温对材料生物学性能的影响。而最奇特的是这种工艺可以容易地制造出分级的多孔微结构，其制造的骨或软骨组织工程支架既具有可控的百微米级大孔，又具有十几微米的小孔。支架孔隙率可达80％以上，而强度却很高。通过与第四军医大学全军骨科研究所的合作，这种支架的骨和软骨修复功能在大量的动物实验中得到了充分的验证。2 G6 T- J( H0 H. ?! B: y: m  U; N
　　最令记者感到惊奇的是细胞在这里成了加工制造的“材料”，细胞被堆叠构成了一块三维结构。颜教授介绍说，细胞是构成组织器官的基本单元。从制造科学家的角度看，组织器官就是各种功能细胞按特定结构“装配”成的复杂“机器”。若我们解决了细胞在三维空间中的精确定位、排列和组装等技术问题，就可能通过人工方法制造出人体组织的雏形，再通过各种生物学技术和方法对其进行培养，促使细胞由简单的几何空间联系向复杂的生物学联系发展，最终发育成具有生命功能的组织结构。
: J8 N/ l1 u+ V* ?; _　　为此，研究所开展了两项关键技术研究，即单个细胞的激光直写技术和细胞团簇的三维受控组装技术。前者是利用激光粒子效应产生的光压捕获并定向输运单个细胞，实现单细胞的精确定位和沉积；后者则是利用微流体或微粒喷射沉积技术将细胞簇、外基质材料以及生命物质（如生长因子、DNA片段）的共混流体，按照计算机指令喷射沉积到指定位置上，再进行可控的交联反应固化成形，实现细胞团簇的三维空间排布。0 h6 E2 ]( c; C' L
　　记者在显微镜下，见到了利用研究所自行研制的细胞三维受控组装成形机堆积成形的肝细胞三维结构。目前在简单的环境中已实现了肝细胞高密度长时间的三维立体培养，并发现了人工三维排布的肝细胞通过其外基质而互相粘连自主排列的迹象。说明利用细胞进行三维组织结构的受控组装在技术上是可能的、在组织器官的人工构建上是有希望的。. _8 ~; t5 L! Z: ~; A
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“类组织前体”最诱人
2 Z% K# |  [! X% v7 d　　颜教授用“生物制造工程”这样一个概念来概括其研究所的工作。他介绍说，制造科学与生命科学相结合，是21世纪制造科学发展的重要趋势。这种结合体现在三个方面：第一个方面是仿生学，即研究生物、模仿生物的各种特征，自然界是人类永远学习和模仿的源泉。第二个方面是利用生物过程进行加工和制造，即利用生物体的生物过程和生命活动特性实现材料的制备、加工和信号检测。第三个方向是生物制造工程，即生命体的人工制造。复杂支架的成形、细胞的三维受控组装即属此类。这是制造科学与技术发展的崭新方向。9 G2 ~+ e9 w( T$ b: E. N8 b5 r! c/ Y
　　针对生物医学的应用，生物制造工程可以按照加工材料的生物学特性分为四个层次，四个层次所需的制造技术难度逐次提高。第一层次所加工的材料不具备生物相容性，制造的是个性化的组织或器官的模型，用于手术规划、模拟以及假肢的辅助设计加工。第二层次所加工的材料具有较好的生物相容性但不具备生物的降解性能，可以在体内长期存在，制造的产品是可以替代组织或器官部分功能的人工器官或植入物。生物制造的第三层次所加工的材料既具有良好的生物相容性又具有生物可降解性，可以在人体内逐渐被分化、分解、吸收并排出，这类制品主要是组织工程所需的各类具有特定形状和结构的支架。其作用是作为细胞生长、组织再生的临时性“脚手架”，辅助并促进器官组织的修复。而生物制造的第四层次加工对象是具有生命的细胞，即将细胞当作加工制造的“材料”进行搬运、定位和组装，“制造”出具有特定细胞空间分布结构的三维细胞堆，称之为“类组织前体”。这是生物制造中最诱人的部分。, F2 m# ~, [8 _! {
　　颜教授告诉记者，生物制造工程是一个新兴的交叉领域，提出的时间不长，但已经日益受到来自生物医学、材料科学、制造科学领域的科学家们的认同和参与。国内已有多所大学和研究所开展了相关研究工作，而清华大学生物制造工程研究所也与国内外多家医学研究单位和医院等建立了紧密联系，所取得的成果都与兄弟院所的合作与支持分不开。同时研究所也向社会开放，已经接收了多家大学的研究生在这里进行他们的研究工作。在众多专家、学者的共同努力下，生物制造工程已经显现出了诱人的前景，并日益得到了国家和专业学会的重视。对于未来，颜教授和他的同事们充满信心。. l9 z, Q4 L0 \# I, Q1 f
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曾几何时，国家耗费巨资科研工作者沤心沥血所取得的研究成果，却由于市场需求或产业化意识的原因被束之高阁。科研成果不能及时应用所产生的浪费引起各界的疾呼。10月11日在大连召开的2004中国机械工程学会年会生物制造分会向外界传递出一个信息：科研成果的及时转化应用，已经引起专家学者和社会各界的足够重视。! a0 c+ h. c; I
　　参加学术交流的多们专家学者把科研成果产业化作为重要关注点。在假体工程方面取得重大成就的上海交通大学教授王成焘在会上表示，科学研究是一个漫长的过程，科研成果需要不断完善，但是社会需求要求成果及时得到应用。清华大学机械制造系教授颜永年在会上展示的“单细胞喷射”技术立刻引起参会的医学界人士的关注，在会人员现场与其进行探讨。西安交通大学教授卢秉恒也在会上提出，科学研究应该更多的从国家和社会的需求考虑，这样才能使其发挥更大的用途，拥有更好的发展空间，卢教授表示，生物制造正是“医学出命题，制造来完成”。4 n7 }7 G' z1 y$ o& W5 Y) b/ C! m
据了解，昨天刚刚成立的中国机械工程学会生物制造工程分会，就表明生物制造工程的输出渠道在医学界和生物界。生物制造分会主任委员王至尧在其演讲《生物制造工程的产生、发展与展望》中，追溯了生物制造的应用历史后，明确提出，生物制造工程交会得到大规模的实际应用，如同信息产业革命一样，对现代社会带来巨大和深刻的变化。
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近日，由我校机械工程系生物制造中心颜永年教授领导的团队结合RP成形原理和水凝胶材料固化机理，提出了在计算机控制下将细胞与基质材料复合单元体作为成形对象，通过准确的运输与定位，直接组装成形具有生命的类组织前体（OrganPrecursorAnalogy）的细胞受控组装技术。基于这一技术开发的实验原型机——国内首台细胞三维组装机1号已于日前在我校研制成功。使用这一生物成形设备，依据解剖学医学数据，可以将不同高密度的细胞和细胞外基质短时间内分布在不同的空间位置，从而构建出复杂的三维结构体，成形后的细胞形态仍然保持的很好，细胞的存活率高于90％。体外培养6周，三维结构体中的细胞分裂和增殖正常。结果显示，哺乳动物细胞团簇与水凝胶共混后可以被直接受控组装成预定义的三维结构体并保持活性，这一技术具有制造活的类组织的潜力，对于人工化组织器官的重建具有重大实用价值。6 z! W5 T+ I: p* a5 J  n
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1 B' ]. V8 D: S来源: 科技日报* u6 f) Q# W  Y9 O* N
发布者: 亦云