当前位置: 主页>激光3D打印>高端访谈>

他研制的生物3D打印机敢与西方国家的媲美

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2016-10-20 09:09

胡庆夕教授简介

上海大学教授、博士生导师;上海大学工程技术训练中心(国家级)主任、快速制造工程中心常务副主任。江苏省三维打印装备与制造重点实验室学术委员会委员,中国机械工程学会高级会员,中国生物医学工程学会高级会员,全国高校机械自动化学会副理事长,中国3D打印技术产业联盟顾问,华东高校工程训练教学学会副理事长,中国人工智能学会智能制造专业委员会委员,《中国组织工程研究》首席学科专家、《仪器仪表学报》、《机械工程学报》、《计算机集成制造系统》、《纳米技术与精密工程》等学术期刊评审专家。自2001年一直从事生物3D打印技术、快速模具技术等领域的研究,先后承担国家自然基金、上海市重点项目、国家CIMS重点应用工程,以及企业项目等20余项。已出版著作4部,申请和获得国家专利30多项,发表学术论文170多篇,其中被SCI/EI收录100多篇,受理和获取专利20多项,培养和招收硕士、博士研究生、博士后65人。

正文:

2015年初,上海大学快速制造工程中心主任胡庆夕教授的团队携具有完全自主知识产权的“生物3D打印机”在CCTV-10科教频道《发明梦工厂》节目中华丽亮相。同年8月份,著名的《美国物理联合会》期刊发表了胡庆夕教授团队在生物3D打印方面的突破性研究工作。

获得五项国家自然科学基金支持、央视的短暂而华丽的亮相以及“不鸣则已,一鸣天下知”的瞬间……这“破蛹成蝶”的背后却是胡庆夕教授团队连续十数年坚持不懈的努力。

2001年,胡庆夕开始接触3D打印,受命组建上海大学快速制造工程中心的研究团队和应用团队。刚开始研究的时候,他直言“并不知道这是什么技术”,但现在,他已经成为3D打印业界赫赫有名的专家教授,他的研究被国内外媒体广泛报道,他可以自豪地说,他的研究丝毫不落后于西方国家。而在他的带领下,上海大学的3D打印设备种类、所掌握的3D打印工艺,以及工程应用等方面在全国高校中名列前茅。15年来,其团队做了数十万3D打印的产品,并与上海组织工程研究中心、上海交大附属第九人民医院、瑞金医院和新华医院、复旦大学附属中山医院、同济大学十院等合作,进行有关血管、骨骼、腹壁等方面的动物试验。

随着3D打印技术在医学领域的发展与应用越来越广泛,也许有一天3D打印会使我们人类器官的人工制造成为可能,使众多由于疾病、事故或者战争导致的器官缺损的患者能够治愈。美国《时代》周刊就曾预测未来十年人工器官和功能组织的替代产品将达到50%。可以说,生物3D打印是3D打印技术最具潜力的应用领域。胡庆夕教授也曾如此形容生物3D打印:如果把3D打印比喻成皇冠的话,那生物3D打印就是皇冠上的明珠。

本期,《3D打印商情》便跟胡庆夕教授来聊聊生物3D打印这颗“皇冠上的明珠”。

《3D打印商情》:据了解,胡教授您是2001年开始研究3D打印技术,从事3D打印研究的初心是什么?通过这15年的研究,请问3D打印技术给您最大的感触是什么?上海大学快速制造工程中心自成立以来在3D打印技术上取得了什么样的研究成果?

胡庆夕:我从2001年开始接触3D打印,并开始生物制造技术研究,从不知道这是什么技术,到认为这是一项很有意义的研究,是解决人类痛苦的研究,是造福人类的研究。因此不管国家是否支持、不管是否能申请到项目,我都下定决心坚持下去。2007年左右的几年,是3D打印研究最萧条的一段时间,因为看不到曙光,一些科技工作者退出了这个领域的研究,我们没有,我们认准这项崇高的研究,就用前些年节省下来的经费维持着这个领域的研究——我们不是为了钱而研究,我们是为事业而探索,希望中国在世界的生物3D打印领域占有一席之地。今天,大家终于认识到生物3D打印技术将是改变医疗领域的颠覆性技术之一。

我们在生物3D打印和快速模具技术及工艺方面与国内外没有多大差距,在生物CAD/CAM/3D打印综合成形方面应该是超前的,我们进行了多结构、多梯度、多材料的打印工艺方法研究,进行了血管、骨、软骨、皮肤等生物支架的工艺方法研究,进行了多种细胞的打印研究等,并进行了大量的动物实验和开发了生物CAD/CAM/3D打印综合成形集成系统,美国物理联合会、每日科技等国外多家媒体,以及国内央视、科技日报和中国日报海外网、人民网、新华网、中国科技网等都进行了研究成果的报道。

《3D打印商情》:请您介绍一下这些年您在3D打印技术上的主要研究方向?最新的研究有哪些?

胡庆夕:我的研究主要在生物3D打印、快速模具、特种材料3D打印等方面,我将在前面基础研究的基础上,在一代、二代设备开发的基础上,继续基础探索,实现重点突破,尽快服务社会,为人类造福。

《3D打印商情》:请介绍一下您的团队研发的生物3D打印机?它的主要功能是什么?它能够做些什么?

胡庆夕:我们开发了生物CAD/CAM/3D打印综合成形集成系统,实现了生物建模与综合成形的集成,实现了挤出、电丝和电喷单一或综合工艺成形,实现了宏、微、宏微观的复合支架,具有完全的自主知识产权。

我们的生物3D打印机技术特点包括:1、提出将3D打印、电纺丝、细胞组装等技术结合,实现一体化支架的综合成形;2、提出将CT/MRI数据处理与系统的集成,实现一次完成从设计到3D打印综合成形的全过程;3、提出复合结构一次成形,实现多材料、多梯度、多尺度结构,实现宏微观结构的复合加工和微纳结构表面修饰;4、提出滴涂、电喷、静电纺丝等多种细胞直接复合接种方式。

目前,该系统主要面向组织工程、再生医学以及生命科学领域的科研院所和医院,用于研究及试验验证与分析等;未来实现制备生物支架和生物结构体,用于骨、软骨、骨软骨、皮肤、血管等的缺损修复,长远将是器官修复等。可以说,我们掌握的技术没有落后世界发达国家,与国外没有多大的差距。

《3D打印商情》:您的团队集合了机械、控制、计算机、生物材料等多个领域的科研人才,请问这些学科都是如何为3D打印服务的?

胡庆夕:3D打印是多学科交叉,涉及到机械、控制、计算机、医学、生命、材料等方面,2014年,我们获得了应该是国内第一个自主增设交叉学科博士点:增材制造与组织修复,对这方面的高层次人才培养创造了条件,我们有机械、控制、计算机、材料等方面的老师,我们与上海多家医院合作,开展这项前沿研究。

《3D打印商情》:请问生物3D打印发展到现在,都经历了哪几个阶段?可否预测一下未来生物3D打印的发展?

胡庆夕:生物3D打印经历了四个阶段,最初大家探索都是用当时有的各种3D打印机来进行试验和研究,包括进行打印术前模型等,辅助医生诊断;第二阶段是制造假肢、假体等,所用材料有生物相容性,没有降解性,所用设备是金属3D打印机,使用越来越广泛,而且目前没有什么方法可以替代;第三阶段是研究组织工程支架,其材料是生物材料(生物相容性和降解性),其设备是生物3D打印机,目前基本还没有实质性进入临床,还在进行大量的验证工作;第四阶段则是是探索生物结构体的制造,其材料是细胞和生物材料,所用设备是细胞3D打印机(生物3D打印),这个方面研究还有很长的路要走,这是我们工作者的梦想。

我们认为首先应该实现人体组织的生物打印,比如皮肤、血管、骨、软骨等,人体组织相对人体器官的打印简单的多,人体器官涉及血管、神经等很复杂的内部结构,不是我们今天能够打印出来的,但技术发展到那一天时,我认为能实现。

《3D打印商情》:请分析一下全球生物3D打印技术的发展现状?

胡庆夕:在国外,各国的生物3D打印机在这两年发展很快,不管是公司,还是大学和研究机构,像美国的Organovo公司、德国的EnvisionTec、瑞士的RegenHU公司以及俄罗斯的Bioprinting Solutions公司,在近些年都相继推出了自己的生物打印设备及研究成果,现在这种激烈竞争的态势正好说明各国都意识到这个领域的发展前景和重要性。

《3D打印商情》:目前而言,生物3D打印在材料上有哪些选择?它的主要应用有哪些?它应用的瓶颈是什么?

胡庆夕:在材料上,现在用的主要有胶原、明胶、水凝胶、羟基磷灰石、壳聚糖等,这些材料具有可降解和生物相容的特性,大家都是用于有关血管、骨、软骨等支架的打印研究,还没有应用于临床,目前的设备和材料都不成熟,其中打印工艺、材料是瓶颈,没有那种材料拿着就可以用。

《3D打印商情》:业界预测,3D打印人体器官有望培育成功,请问,3D打印人体器官培育成功的先决条件是什么?目前距人体器官真正应用于人体可有时间表?

胡庆夕:前面已经说了,器官是一个复杂的系统,我们对我们自己还不是很了解,就通过简单的打印就能制造器官还为时过早,给时间表很难,虽然网上炒作了很多,但我认为不是现在的事情,现在当务之急先搞清楚或者说先把人体组织制造出来,真正用到人身上,这就是医疗史上的奇迹了。

《3D打印商情》:上面说的是技术层面,伦理方面、法规方面又该如何迎接或者说应对3D打印器官的诞生?

胡庆夕:每项新的技术都有它的两面性,一是造福人类,二是给人类带来灾难,例如大家都知道的核技术的发明给我们人类创造了能源的财富,同时用于武器就给我们人类带来痛苦,等等。 

关于生物打印在道德、种族和法律上的问题已经听到很多,大家都在担心如果有一天生物3D打印实现了打印活体器官,就存在人类伦理问题了;我不这样认为,同样没有必要过于担心,到底生物3D打印技术与克隆技术还是有着本质的区别,生物3D打印机只是充当了将细胞单元精准堆积的技术工具,成熟之后移植到体内,而且这个细胞来自自体;克隆是完全不同的,它是再造生命体。

而且,就是存在这方面的问题也没有必要担心,任何新技术都一样,如果都是这种担心,那就没有必要使科技快速发展了,到时候自然有应对的办法。

《3D打印商情》:最后请您介绍一下3D打印技术在快速模具的应用?请谈谈这方面的发展现状?

胡庆夕:目前很多人认为3D打印就是制造产品,这是一个误区,目前3D打印的产品在功能方面与我们的实际产品还有很大的差距,其中现在的材料性能与我们现在传统的材料的性能完全不同,真正在产品上长期使用的3D打印产品都不知有没有,主要还是试验验证;因此,在目前情况下,要将新产品尽快进行产品的性能试验,以及安装到设备上,只能使用快速模具技术。通过3D打印制造出模型,使用快速模具技术能够快速制造出小批量产品,这样可以快速投放市场来了解市场对新产品的市场反应信息,决定新产品的制造批量,当然大批量不能使用快速模具技术,目前还是使用传统模具技术。

大家不了解快速模具技术,就像大家原来不理解快速成型技术一样,前面几十年基本上没人知道,2012年火了,大家这才知道,这两项技术原来叫做“快速成型与快速模具技术”,就像双生俩,其中一个“3D打印”火爆了,大家知道了,把它说的很悬乎,什么都可以做,而另一个“快速模具”没有出名,还是无人问津。

快速模具技术有它的缺陷,不能制造金属,其次,精度不但取决于3D打印的样件质量,由于是软模,自然精度没有金属模具高。同样,3D打印技术也有很多缺陷,主要是其一,材料种类太少,其二,打印精度不高,其三,性能不能满足要求,其四,打印工艺不能改变,诸多因素限制了它的发展,当然随着新技术的出现,3D打印也会得到快速发展。(编辑:老王)