生物3D打印的现状与趋势

2022-02-16 09:29:27 江苏省企业技术改造协会 41

本综述聚焦生物3D打印的学科发展与产业现状。生物3D打印是一个多学科交叉的研究领域,将增材制造、生物学和材料科学结合起来,制造出具有模仿自然活体组织的三维结构的生物结构。对个性化医学日益增长的需求进一步激发了人们对制造出功能化组织器官的高度兴趣,从而使生物3D打印在生物医学研究领域成为研究热门,并吸引了公司、大学和研究机构的广泛研究努力。在这种背景下,本文提出了一项科学计量分析方法来批判性综述当前有关生物3D打印的文献以及产业发展情况,以提供一个清晰的概述来说明其快速变化的发展趋势。本文通过检索9314篇科学论文和309项国际专利,对2000-2020年的科学文献和专利申请结果进行了总结和批判性分析,来描绘这一新兴技术的顶级研究国家、机构、期刊、作者和热门主题的科研和产业全景,以此来确定全球的生物3D打印技术中心。因此,这篇综述文章为对该领域感兴趣的研究人员或那些只是想简单了解下增材制造和生物3D打印新趋势的人们提供了研究指南。

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生物3D打印:现状与趋势发展图

文章导读

本文的组织分为两部分,第一部分科学文献调研学术研究趋势,主要总结分析了最高产的国家、机构、作者以及活跃的全球研究网络,第二部分是市场和专利全景,提供了一个关于产业以及专利的全景来发现现存的以及正在发展中的研发中心。

学术研究趋势:相关科学文献的趋势

针对9314篇科研论文(其中包含7574篇研究性论文以及1740篇综述论文)调研后,本文得出79%的论文发表于2014年以后,其中53%发表于2017年以后。从图1可以看出,从2016年以后,论文的发表开始进入了一个指数式的增长期。

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图1 生物3D打印论文增长情况(深蓝色为研究性论文,浅蓝色为综述)

在近五年中发表相关论文前20的科学期刊如图2所示,其中针对生物3D打印关注度最为密切的期刊有 Bioprinting (66%), Biofabrication (43%), International Journal of Bioprinting (42%), Bio-Design and Manufacturing (26%)。关注这一新兴领域的期刊大都是年轻期刊,以上四刊分别创刊于2016、2009、2015和2018年。

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图2 近5年来发表生物3D打印最多的20种期刊(深蓝色为研究性论文,浅蓝色为综述,黄点代表生物3D打印占该期刊所有文章的比例)

从研究类型上来看,图3展示的是近20年来各类打印方法的年发文情况,从近五年来看挤出式打印的发文量占比最大且呈快速发展的趋势。

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图3 生物3D打印策略与发文量(红色:激光辅助打印,黄色:喷墨打印,绿色:光固化打印,蓝色:挤出式打印)

从发文驱动类型来看,作者将其分为三大类:

第一类:应用驱动的研究,侧重于特定需求的生物3D打印,主要应用在不同的组织、病理模型以及用于药物研发的器官芯片中。

第二类:生物材料研究,主要侧重于开发新型生物墨水配方来改善可打印性或支持组织分化和成熟,来进行打印后细胞行为的研究。

第三类:研究打印过程聚焦于打印技术本身来提升生物3D打印的分辨率与精度从而避免细胞损伤,支撑复杂结构的设计,降低打印时间和成本,例如多材料多工艺融合打印。

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图4 生物3D打印论文分类(绿色:应用研究,黄色:生物墨水,生物材料与干细胞,红色:打印工艺研究)

按应用领域来进行划分,如图5所示,31.7%的研究为骨打印相关研究,接下来依次是血管化组织、神经组织、软骨、其他、心肌、肝、皮肤、肌肉、关节、神经再生、肾脏、脂肪组织以及肺。

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图5 按应用组织器官对所有科研论文进行分类

全球最高产的学术机构分布

文章统计了全球生物3D打印领域发文数量最高的国家依次是美国、中国、韩国、德国、英国、新加坡、加拿大、印度、澳大利亚、荷兰、意大利、日本、法国、瑞士、葡萄牙。美国在科研人员总数上保持领先,拥有超过30家高产科研机构以及超过150名顶级作者,每家研究所平均拥有4.6位顶级作者,而中国在人员总数上排名第二,拥有超过10家高产科研单位以及近100位顶级作者,平均每家高产科研机构拥有7.5名顶级作者。全球排名前十的生物3D打印领域高产科研机构分别为加州大学圣地亚哥分校、哈佛大学、南洋理工大学、维克森林大学、浙江大学、麻省理工学院、浦项科技大学、清华大学、中科院系统、乌德勒支大学。中国共产出1036篇科研论文,拥有2家排名前十的科研机构,分别是浙江大学和清华大学。

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图6 世界发文最多国家及地理分布(蓝色代表科研人员数,绿色代表科研机构数,黄色代表每家科研机构的平均研究人员数)

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表1 生物3D打印领域论文高产国家与机构

市场与专利全景

近年来,不仅在学术界,工业界对3D生物打印的兴趣也越来越浓厚。2014年至2015年间,众多生物3D打印公司进入市场,新的初创企业不断涌现。生物3D打印可能成为再生医学领域组织生物制造的新标准;许多生物3D打印机制造商已经开始将他们在研究或其他专业领域的建议和服务商业化。这些公司大多销售材料(生物墨水和细胞)、生物3D打印设备和提供咨询服务。

最新市场调查表明,全球生物3D打印市场价值2019年为5.8613亿美元,到2025年将增长到19.4994亿美元,年增长率达到21.91%,这与另一项研究报告相吻合,2024年全球生物3D打印市场将达到16.474亿美元,2019-2024年的增长率为20.4%。

美国占据39%的市场份额,超过所有其他国家一个数量级,其他国家均在1%-7%之间。

专利进化趋势

生物3D打印的产业利益可以用专利申请数量来进行量化,从图7可以看到,专利申请的数量呈指数级增长,申请主体以高校和科研机构为主,公司和个人申请占比较少。从申请国家来看(见图8),中国无论是科研单位还是企业的相关专利申请数目都是全球第一,其次是美国、韩国、德国、澳大利亚等。

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图7 专利申请数量与专利主体

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图8 专利申请国家分布:(a)企业申请专利(b)高校与科研单位申请专利

结论

生物3D打印,代表增材制造技术的一个新的研究领域,展示了在未来扩展的巨大潜力。在过去几年中,这门学科在研究论文方面受到了学术界的广泛关注,并且吸引了越来越多的创新者来创造令人兴奋的市场。

本项研究中强调的许多开放性挑战要求可以从传统增材制造研究中借鉴新的技术解决方案。目前仍面临的挑战是打印速度以及打印分辨率的提高。尽管如此,生物3D打印有其独特性,例如避免在打印过程中对细胞产生不合适的影响以及多工艺多材料复合打印作为其未来发展方向。

为了实现这一目标,应该进行多学科交叉的研究,将工程学知识应用到增材制造中,生物学知识应用到细胞的生长与分化中,材料科学知识应用于生物材料的开发以及生物医学知识应用于医学和药学来突出解决相关研究问题,采用这样的多学科方法,我们可以看到一个繁荣发展的新兴领域,旨在开发一种造福人类的未来技术。


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