3D人体器官的印刷 - 未来的透视与IP场景

2016年5月25日发布

3D打印人体器官

成千上万的患者今天正在等待救生移植。其中一些是关键案例,并且由于合适的捐赠者的缺乏,这些患者的死亡率很高。

3d打印器官可能成为这些病人的救命恩人。

一位科学作家和记者,珍妮莫尔伯,在她身上分享了一个动人的故事博客讲述的是一个三岁男孩为获得新心脏而经历的磨难。那是大约八年前,剧团被诊断出患有一种罕见的、危及生命的疾病,心脏在两次心跳之间无法放松。由于限制性心肌病没有治愈方法,而且几乎没有治疗方法,剧团不得不进行心脏移植手术。但他的噩梦并没有就此结束。

三人家庭不得不等待两个痛苦的月份来获得新的心。而且,在一个月内,Troupe的心脏开始发生故障,要求急诊手术进行替代品。剧团与第二器官移植一起存活。但是,当他庆祝他的第十岁生日时,他的父母不得不与他们的年轻儿童亨利患上同样的疾病来遇到这样的悲惨时间。值得庆幸的是,亨利还快速收到了他的比赛。但不是每个孩子都是幸运的。机箱分享(UNOS)的联合网络指出,平均等待孩子的心脏大约是六个月。而且,亨利大小的孩子的平均等待时间大约是一年。

根据UNOS,超过120,700人在美国等待美国的救生器官移植,其中超过77,000人是有效的候选人候选人。由于合适的捐赠者的非可用性,此类患者之间的死亡率主要是很高的。莫尔伯的博客报价NGO的总裁兼首席执行官称为生命的礼物,指出每年约有240万人死亡。延迟问题非常简单 - 目前只有人体可以长出复杂的人体。在动物中创建可用的大型复杂器官并没有成功。这转化为一个简单的事实 - 许多患者可能永远不会收到比赛。

而那些成功接受器官移植的人,以及他们的家人,通常会因为从别人的痛苦中获益而感到内疚和悲伤。这使得这项运动在情感上更加复杂和费力。在这里,3D打印在医疗保健领域正迅速成为一个合理的选择和相当有前途的想法。过去几年,3D打印在医疗保健领域的销售表现强劲,预计到2020年,其复合年增长率将达到19%,超过18亿美元。

3D印刷绝对有可能遏制对机构不达到的不达到的需求的升高指标。但除了几个其他挑战之外,它还可能会燃料监管和专利问题。

在这篇文章中,我们将了解3D器官打印技术的发展和现状,并解读市场细分、应用和可使用的材料的商业化场景。我们还将讨论主要的技术细分,并讨论在保护3D打印技术的潜在障碍。


3D印刷器官技术的发展与当前状态

3D打印是从数字文件中制作三维对象的过程;它包括创建一个虚拟3D模型,其传输到打印设备,通过沉积连续的材料层来创建所需的结构来创建“图像切片”。

3D打印已用于各种行业,以创建定制和按需组件,医疗保健是一种快速增长的应用领域。

器官3D打印(也称为生物打印)是一个在受控环境下通过材料分层沉积制造支架、人体组织和器官的过程。它还包括更广泛的变化,如活细胞器官的功能化,组织的移植,以及创建这样的系统的过程。

生物打印目前用于研究、药物开发和测试,以及器官移植。

生物印刷的总体原理类似于通用3D打印技术,除了对所用墨水的修改以及3D印刷组织的沉积官能化。


商业化场景-市场和技术细分

生物打印所需的技术大致可分为以下几类:

  • 软件组件
    用于扫描目标对象并将其转换为计算机模型,并最终将其转换为蓝图。
  • 3D印刷设备
    这是机械/硬件部件,用于通过顺序层将墨水存放在印刷平台上,以形成所需的固体结构或支架。它还包括后处理所需的设备,例如凝固和器官孵育。
  • 生物材料
    用作油墨沉积和创建您想要的结构,它可能是或不是由活细胞在打印时。
    生物材料可以进一步分为(基于打印方式):
    • 基于脚手架的结构
    • Scaffold-free(直接)结构

    基于支架的结构在后处理步骤期间用细胞官能化,而在直接印刷中,将活细胞沉积在平台上以提供所需的功能。


同样,生物印刷市场可以广泛归类如下:

  • 印刷方法:如磁悬浮、喷墨、激光、注射器等。
  • 应用程序:如医疗、牙科、生物传感器、消费者/个人产品测试、食品和动物产品生物打印。
  • 医学子段:如组织和器官的生成、医用药丸、假肢和植入物的打印。


地理市场份额和主要球员

预计全球3D印刷市场预计将达到2020年的86亿美元,而医疗保健部分预计将达到12亿美元,CAGR为19%。

医疗保健和航空航天部门将成为这一进步的主要支持者。

全球3D印刷市场

美国拥有约40%的医疗保健3D市场,其次是欧洲。

亚太地区(APAC的)市场在这个阶段相对较小,但由于不断增长,降低成本和政府政策,预计在不久的将来比美国市场越来越高。

3D系统和Stratrasys是医疗保健3D打印的主要市场参与者。

其他市场参与者包括Digilab、EnvisionTEC、Invetech、MicroFab Technologies、nScrypt和TeVido BioDevices。

医疗保健产品段包括植入物(包括牙科),手术指南,助听器和组织工程3D印刷器官。然而,植入物占据市场上最大的市场份额,而组织工程应用将以预测期的最高共和安格成长为26%。

最近,研究人员在临床案例研究中成功证明了3D打印器官在治疗先天性心脏和耳部缺损以及烧伤患者植皮方面的优势和可行性。

根据机构共享组织的估计,根据联合网络注册了超过120,700人的救生移植。由于潜在的元素,由于与捐助者的不相容性,死亡率高。生物印刷的组织和工程器官可以作为此类患者的有希望的选择。虽然这项技术有可能解决当前需求,但它可能会提出伦理和专利的问题以及其他挑战。


组织和器官再生应用

在这一领域的研究一直在增长,从以下图中可以看出:

生物印刷研究趋势

这些领域包括:

  • 血管再生
    劳伦斯利弗莫尔国家实验室通过将生物材料与活细胞结合,创造出了具有功能性的3d打印血管。这些支架帮助小血管自行发育。
  • 种植牙和人工牙釉质
    使用具有前体淀粉细胞的陶瓷材料印刷。
  • 胰腺组织
    弗吉尼亚大学生物工程实验室已成功印刷人工胰腺组织,这有助于寻找慢性糖尿病患者的治疗。研究人员还希望制造可用于治疗颅面缺陷如腭裂的肌肉组织。
  • 骨骼重建
    癫痫发起生物医学启动,已经证明了骨组织的成功生物印刷,可用于骨骼重建。
  • 软骨制造
    德克萨斯技术大学的科学家们目前正在开发一种3D打印软骨组织,可以替代通常撕裂或受伤的膝盖半月板。
  • 皮肤印迹
    Organovo和欧莱雅合作开发用于人工皮肤生长的先进细胞技术。这是在实验室条件下使用Organovo公司的NovoGen生物打印机完成的。巴斯夫和Poietis最近的合作重点是一种名为Mimeskin的生物活性材料,用于测试化妆品和皮肤护理应用。
  • 神经组织再生
    墨尔本大学研究人员已经从干细胞生长皮质组织,治疗神经病,如精神分裂症和自闭症。
  • 肝脏组织印刷
    印度研究人员和Organovo正在研究一种技术,在实验室中使用3D打印的基质,装载由葡萄糖、蛋白质和活细胞组成的水凝胶,生产人工肝组织。
  • 眼皮
    宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的研究人员对定义了微流控通道的小型塑料芯片进行了实验,这些微流控通道作为支架,可以刺激人体细胞生长,旨在构建人工眼睑;这种方法被称为“芯片上的眼睛”技术。


3D印刷生活组织中使用的主要技术

  • 立体刻录
  • 选择性激光烧结
  • 电子束熔化
  • 融合沉积建模
  • 层压物体制造


常用方法和材料

标准3D打印设备采用激光技术,如选择性激光烧结及其分级,电子束熔化,融合沉积建模,层压对象制造和立体光刻工艺,以将材料沉积在印刷平台上以形成固体结构。但是,当涉及到印刷3D人体器官时,使用诸如喷墨印刷,压力辅助生物印刷,激光生物印刷,基于基于阀门的印刷和声学的印刷技术的技术。

“材料”构成生物印刷过程的墨水部分。用于印刷的材料是粉末型,基于凝胶基生物材料或基于器官需求的光固化材料,其可能或可能不含活细胞。用于医疗保健产品的3D印刷的常用材料是塑料,金属,陶瓷,供体细胞,骨水泥,生物材料等。

由于它们的低成本和易于制造而更常用,塑料材料更常用。陶瓷是近二,而是使用其他基于细胞的材料应该在未来增加。


3D打印人体器官的IP场景


3D打印技术细分

人体器官3D打印包括打印设备、打印材料、设计和建模软件,以及制造功能材料的服务和/或流程。不用说,每个组件都有自己独特的IP视角和挑战。


3 d打印软件

3D器官印刷涉及处理生活材料的复杂步骤 - 在它们沉积在印刷平台上,而超越沉积,以刺激生理方式的活细胞的功能。

这些复杂的过程需要严格的参数控制,其涉及调节温度,pH,湿度以及氧合和营养浓度等因素。在处理过程中,创建,存储和沉积需要精确度,这主要涉及基于条件的算法。这种控制算法是通过专利或版权保护的。

版权保护涵盖专有应用程序和编程的源代码,但通过使用独立制定的编码技术提供竞争对手来开发等效软件的自由度。

另一方面,专利保护印刷设备的功能和工作的顺序执行模式。它涵盖了需要特定化学反应参数的特定设置和工作条件,以便在更广泛的意义上进行沉积步骤。

类似地,用于从扫描图像创建3D模型的软件也可以被视为受保护的IP。美国目前的专利制度为此类软件和计算机程序提供保护,而少数司法管辖区允许此类软件获得专利,前提是该软件符合某些创新标准。

用于创建3D打印所需的实时组织/电池的软件算法涉及诸如收获实时电池的步骤,存储受特定参数的存储,以及加速其作为自然细胞的功能。这些食谱肯定有投资于他们的复杂思维过程,并包括非明显的技术贡献和实施,以解决特殊问题。这使得它们在包括美国和ep在内的大多数司法管辖区中获得专利。


3D印刷设备

典型3D打印机的功能组件包括执行顺序任务的硬件和嵌入式软件组件,以便在打印平台上存放层。

这里的硬件包括扫描目标器官,储存器的地形细节的扫描仪,以存储生物墨水材料,以及以精确的图案喷射印刷材料的挤出机。这些组件多年来一直是可专利的发明,但在沉积之前,在密封的细胞印刷系统中的现有系统中的新修改需要诸如创建,存储,处理和保存的能力。

这些硬件组件的创建和运营需要复杂的智力专业知识和聪明才智,这在当前的美国和大多数国际专利制度下都是专利的。


3D印刷材料

用于3D印刷器官的材料对于脚手架和直接印刷方法而异。

在支架方法中,机器不能打印活细胞来制造人体器官。它首先使用3D打印技术创建了一个支撑结构,用于植入功能细胞。随后,活培养细胞被吸附在支架表面使用各种蛋白质,一旦细胞分裂并形成组织,使器官功能恢复,随后形成的支架很快就会降解。

目前的规定支持塑料,陶瓷和金属的非活性材料组合物的专利,没有任何细胞组分,非生物材料沉积技术,以及合成这些材料的方法。

在自然环境中出现的活细胞不能获得专利。也不能安排活细胞、培养的自然细胞或培养的组织材料。然而,需要人工干预或改造才能生产的人造细胞材料或子组件可以申请专利。

用活细胞直接印刷的另一种方法涉及在储存器中孵育天然存在的细胞并将它们沉积在印刷表面上以便产品功能组织。然而,这个过程不能获得专利,因为它没有任何特别发明的关于它,并且它不符合新奇的基本标准。


在保护3D印刷器官技术中可能的障碍和当前思想学院

根据美国专利法第101条,人体器官专利是被禁止的,以防止自然发生的垄断。

虽然由于组织工程的出现已经增加了例外和对当前专利法的局限性而发生的变化,美国专利法院严格禁止对自然人体部位的任何智力保护。

即使是美国邀请行为禁止围绕“人体有机体”索赔,基本上限制了对自然发生的组织,器官和身体的任何专利。通过这种定义,生物工程组织和细胞仍然是人体生物;他们起源于人干细胞,并进行与天然存在的细胞的相同功能(例如,胰腺的生物工程β细胞将分泌类似于天然肽的胰岛素肽)。此外,最终产品和功能中的相似性可能使它们不可获得。

还有其他人认为基因工程化和人改性的生物和组织作为“人造”和不同于天然存在的细胞的组织,因此可以专利。

如果在钻石与Chakraborty案件中确定的,可以在这种假设下进行修饰的组织工程细胞 - 和与天然细胞不同的细胞 - 可以在这种假设下获得专利。

在这种情况下,3D打印器官是通过获取干细胞并在特定条件下加工/生长,此外,在定制的表面上打印——这显然需要人类/人工干预——从而使3D打印器官获得专利。

考虑到生物打印技术的这一方面,目前的专利制度需要更加有凝聚力,以解决这种模糊性并防止未来的问题。


主要专利受让人及其知识产权覆盖范围

3D打印技术的专利保护已经开始于20世纪80年代初,但在80年代后期在3D系统采用攻击性技术使用胶片层覆盖立体化技术和3D对象结构时,在80年代后期见证了显着的专利活动。

此后,由于技术进步和Materialise、Stratasys和Microtec等新公司的进入,专利申请数量增加,这些公司探索了医学模型构建和沉积技术。

下图显示了过去三十年的专利申请趋势:


3D印刷专利归档趋势_ XARTICLE_3D人体器官的印刷


3D打印技术中的关键IP公司是3D Systems、Stratasys、Microtec和Materialise,它们提供所需的3D建模软件和材料挤压组件来打印3D模型。

除了实现和Stratasys,VoxelJet,EnvisionTec(等)在生物印刷域中保持关键IP,如下图所示:

3D Printing_Article_3D人体器官的关键专利受让人

  • Stratasys公司
    其产品组合主要包括组成3D打印系统的硬件组件,以及生物打印所需的材料和其他配件。它们包括基于电子照相的系统,聚合物挤出组装和液化器。最近的专利申请涵盖了基于电子照相的增材制造、选择性烧结技术和交叉层成型方法的概念。
  • 物质化
    其产品组合主要包括3D模型的设计和施工方法。这些包括图像采集,处理和3D原型设计算法/软件。该公司的重点主要是快速原型印刷技术,特别是对于假肢装置,以及用于矫形和牙科应用的手术设备。
  • voxeljet.
    其产品组合主要包括用于多步骤印刷,粘合剂材料,雾化材料转移到层状组件的装置和方法,以及自硬化材料。

诸如有机沃地区的利基球员的专利组合主要集中在3D构建印刷。Luxexcel专注于印刷光学结构,而Makerbot的焦点是转速器,扫描仪和印刷配件。Ingo Ederer,William Swanson和Samuel Batchelder是生物印刷技术空间中的主要发明人。

虽然北美目前是生物打印设备的领先市场,但欧洲和亚太地区预计未来将以更高的复合年增长率增长。

大多数公司都采用了一种策略来保护其IP在美国司法管辖区,考虑其主要的市场吸引力和收入份额。

与此相反,由于3D打印技术尚处于起步阶段,市场份额较低,以及3D打印器官中知识产权的可防卫性问题,其他司法管辖区的知识产权保护较弱。

以下图表描述了InPadoc专利系列的管辖范围(%):

人类器官的3d打印技术


未来展望、结论和备注

器官衰竭死亡率是最可预防的死亡原因之一,它可以通过使用3D打印技术打印人工器官来解决。目前的研究已经成功地证明了这种技术在临床中长期治疗心脏、耳朵和皮肤缺陷的益处和可行性。

生物印刷涉及通过层逐沉积的生物或非生物材料形成支架的过程,然后通过层逐层沉积形成人体组织和器官。虽然这项技术有可能解决当前需求,但它可能会提出伦理和专利的问题以及其他挑战。

一个典型的生物打印机器的关键部件包括软件、硬件、方法/过程,以及用于形成物体层的材料。从IP的角度来看,从扫描的生物图像创建3D模型和创建3D打印所需的活组织/细胞的算法肯定需要复杂的思考过程。它包括解决特定问题的非明显的技术贡献和实现,因此,使它们在包括美国和EP在内的大多数司法管辖区具有专利性。

存放所需的硬件组件和支架和固体器官的后处理需要复杂的智力专业知识来构建和运营。超出仅仅是自然可用的主题(在这种情况下,活细胞)发生时很远。这使得它们不仅在美国获得专利,而且也是在大多数国际专利制度中获得专利。

非生物材料组合物以及用于其合成和沉积的方法可以在当前的专利制度下获得专利。

活细胞在自然环境中出现时不能申请专利;仅仅安排活细胞、人工培养的自然细胞或培养的组织材料也不能。

可以专利,需要人为干预或改变的人造蜂窝材料或需要进行改变的子组件。

因此,如果人道器官的生物印刷涉及人类干预和手动过程(例如在收获干细胞,在特定条件下加工/培养它们,则它们可以,并且将是专利的。