生物3D打印的現狀與趨勢—科學文獻與產業實踐指南
時間：2022-01-10 15:22 來源：生物設計與制造BDM 作者：admin 閱讀：次
國際媒體3DPRINT.COM于2021-12-28發布題為“2022年預言:生物打印的引領者們參與討論”（2022 Predictions: Bioprinting Leaders Weigh in）的報道。
文章開篇說：2022年的到來，生物3D打印領域有很多理由讓我們對未來感到樂觀。該領域過去十年中發展迅速，朝著3D打印功能組織和器官的目標邁出了巨大的步伐。盡管研究人員的探索仍浮于按需器官制造的表面，但該領域的進步正在為未來技術創造所需奠定基石。這項新興技術擁有巨大的希望，但也必須注意生物打印不僅局限于器官打印，我們已經看到生物打印如此頻繁地超越虛構，以至于很難將《西部世界》的仿生人類機器人及《實習醫生格蕾》中按需可移植的 3D 打印血管與實驗室發生的事情區分開來。今天，有無數新的生物3D打印應用可比 3D 打印器官更快地進入臨床實踐（據信將在 20 或 30 年內開始臨床試驗）。
在此，我們請行業專家分享生物3D打印近20年來的學科及產業發展趨勢，以及2022年將出現的新發展方向。其中就有本刊Bio-Design and Manufacturing 剛上線的意大利米蘭理工大學機械工程系Mattia Sponchioni等作者一文“ 3D bioprinting: current status and trends—a guide to the literature and industrial practice” （見國際媒體引用本刊示意圖下， 同時我們從事生物3D打印科研多年的本刊學科編輯馬梁對本文做一專業解讀，以饗讀者）。
內容簡介
生物3D打印的現狀與趨勢——科學文獻與產業實踐指南
原文：3D bioprinting: current status and trends—a guide to the literature and industrial practice
Silvia Santoni · Simone G. Gugliandolo· Mattia Sponchioni* · Davide Moscatelli · Bianca M. Colosimo
通訊作者：Mattia Sponchioni 米蘭理工大學機械工程系
解讀者：馬梁 《生物設計與制造》期刊編輯部副主任
摘要：本綜述聚焦生物3D打印的學科發展與產業現狀。生物3D打印是一個多學科交叉的研究領域，將增材制造、生物學和材料科學結合起來，制造出具有模仿自然活體組織的三維結構的生物結構。對個性化醫學日益增長的需求進一步激發了人們對制造出功能化組織器官的高度興趣，從而使生物3D打印在生物醫學研究領域成為研究熱門，并吸引了公司、大學和研究機構的廣泛研究努力。在這種背景下，本文提出了一項科學計量分析方法來批判性綜述當前有關生物3D打印的文獻以及產業發展情況，以提供一個清晰的概述來說明其快速變化的發展趨勢。本文通過檢索9314篇科學論文和309項國際專利，對2000-2020年的科學文獻和專利申請結果進行了總結和批判性分析，來描繪這一新興技術的頂級研究國家、機構、期刊、作者和熱門主題的科研和產業全景，以此來確定全球的生物3D打印技術中心。因此，這篇綜述文章為對該領域感興趣的研究人員或那些只是想簡單了解下增材制造和生物3D打印新趨勢的人們提供了研究指南。
本文的組織分為兩部分，第一部分科學文獻調研學術研究趨勢，主要總結分析了最高產的國家、機構、作者以及活躍的全球研究網絡，第二部分是市場和專利全景，提供了一個關于產業以及專利的全景來發現現存的以及正在發展中的研發中心。
學術研究趨勢：相關科學文獻的趨勢
針對9314篇科研論文（其中包含7574篇研究性論文以及1740篇綜述論文）調研后，本文得出79%的論文發表于2014年以后，其中53%發表于2017年以后。從圖1可以看出，從2016年以后，論文的發表開始進入了一個指數式的增長期。
在近五年中發表相關論文前20的科學期刊如圖2所示，其中針對生物3D打印關注度最為密切的期刊有Bioprinting(66%)，Biofabrication (43%)，International Journal of Bioprinting (42%)，Bio-Design and Manufacturing (26%)。關注這一新興領域的期刊大都是年輕期刊，以上四刊分別創刊于2016、2009、2015和2018年。
從研究類型上來看，圖3展示的是近20年來各類打印方法的年發文情況，從近五年來看擠出式打印的發文量占比最大且呈快速發展的趨勢。
從發文驅動類型來看，作者將其分為三大類：
第一類：應用驅動的研究，側重于特定需求的生物3D打印，主要應用在不同的組織、病理模型以及用于藥物研發的器官芯片中。
第二類：生物材料研究，主要側重于開發新型生物墨水配方來改善可打印性或支持組織分化和成熟，來進行打印后細胞行為的研究。
第三類：研究打印過程聚焦于打印技術本身來提升生物3D打印的分辨率與精度從而避免細胞損傷，支撐復雜結構的設計，降低打印時間和成本，例如多材料多工藝融合打印。
按應用領域來進行劃分，如圖5所示，31.7%的研究為骨打印相關研究，接下來依次是血管化組織、神經組織、軟骨、其他、心肌、肝、皮膚、肌肉、關節、神經再生、腎臟、脂肪組織以及肺。
全球最高產的學術機構分布
文章統計了全球生物3D打印領域發文數量最高的國家依次是美國、中國、韓國、德國、英國、新加坡、加拿大、印度、澳大利亞、荷蘭、意大利、日本、法國、瑞士、葡萄牙。美國在科研人員總數上保持領先，擁有超過30家高產科研機構以及超過150名頂級作者，每家研究所平均擁有4.6位頂級作者，而中國在人員總數上排名第二，擁有超過10家高產科研單位以及近100位頂級作者，平均每家高產科研機構擁有7.5名頂級作者。全球排名前十的生物3D打印領域高產科研機構分別為加州大學圣地亞哥分校、哈佛大學、南洋理工大學、維克森林大學、浙江大學、麻省理工學院、浦項科技大學、清華大學、中科院系統、烏德勒支大學。中國共產出1036篇科研論文，擁有2家排名前十的科研機構，分別是浙江大學和清華大學。
文章開篇說：2022年的到來，生物3D打印領域有很多理由讓我們對未來感到樂觀。該領域過去十年中發展迅速，朝著3D打印功能組織和器官的目標邁出了巨大的步伐。盡管研究人員的探索仍浮于按需器官制造的表面，但該領域的進步正在為未來技術創造所需奠定基石。這項新興技術擁有巨大的希望，但也必須注意生物打印不僅局限于器官打印，我們已經看到生物打印如此頻繁地超越虛構，以至于很難將《西部世界》的仿生人類機器人及《實習醫生格蕾》中按需可移植的 3D 打印血管與實驗室發生的事情區分開來。今天，有無數新的生物3D打印應用可比 3D 打印器官更快地進入臨床實踐（據信將在 20 或 30 年內開始臨床試驗）。
在此，我們請行業專家分享生物3D打印近20年來的學科及產業發展趨勢，以及2022年將出現的新發展方向。其中就有本刊Bio-Design and Manufacturing 剛上線的意大利米蘭理工大學機械工程系Mattia Sponchioni等作者一文“ 3D bioprinting: current status and trends—a guide to the literature and industrial practice” （見國際媒體引用本刊示意圖下， 同時我們從事生物3D打印科研多年的本刊學科編輯馬梁對本文做一專業解讀，以饗讀者）。
內容簡介
生物3D打印的現狀與趨勢——科學文獻與產業實踐指南
原文：3D bioprinting: current status and trends—a guide to the literature and industrial practice
Silvia Santoni · Simone G. Gugliandolo· Mattia Sponchioni* · Davide Moscatelli · Bianca M. Colosimo
通訊作者：Mattia Sponchioni 米蘭理工大學機械工程系
解讀者：馬梁 《生物設計與制造》期刊編輯部副主任
摘要：本綜述聚焦生物3D打印的學科發展與產業現狀。生物3D打印是一個多學科交叉的研究領域，將增材制造、生物學和材料科學結合起來，制造出具有模仿自然活體組織的三維結構的生物結構。對個性化醫學日益增長的需求進一步激發了人們對制造出功能化組織器官的高度興趣，從而使生物3D打印在生物醫學研究領域成為研究熱門，并吸引了公司、大學和研究機構的廣泛研究努力。在這種背景下，本文提出了一項科學計量分析方法來批判性綜述當前有關生物3D打印的文獻以及產業發展情況，以提供一個清晰的概述來說明其快速變化的發展趨勢。本文通過檢索9314篇科學論文和309項國際專利，對2000-2020年的科學文獻和專利申請結果進行了總結和批判性分析，來描繪這一新興技術的頂級研究國家、機構、期刊、作者和熱門主題的科研和產業全景，以此來確定全球的生物3D打印技術中心。因此，這篇綜述文章為對該領域感興趣的研究人員或那些只是想簡單了解下增材制造和生物3D打印新趨勢的人們提供了研究指南。
生物3D打印：現狀與趨勢發展圖
本文的組織分為兩部分，第一部分科學文獻調研學術研究趨勢，主要總結分析了最高產的國家、機構、作者以及活躍的全球研究網絡，第二部分是市場和專利全景，提供了一個關于產業以及專利的全景來發現現存的以及正在發展中的研發中心。
學術研究趨勢：相關科學文獻的趨勢
針對9314篇科研論文（其中包含7574篇研究性論文以及1740篇綜述論文）調研后，本文得出79%的論文發表于2014年以后，其中53%發表于2017年以后。從圖1可以看出，從2016年以后，論文的發表開始進入了一個指數式的增長期。
圖1 生物3D打印論文增長情況（深藍色為研究性論文，淺藍色為綜述）
在近五年中發表相關論文前20的科學期刊如圖2所示，其中針對生物3D打印關注度最為密切的期刊有Bioprinting(66%)，Biofabrication (43%)，International Journal of Bioprinting (42%)，Bio-Design and Manufacturing (26%)。關注這一新興領域的期刊大都是年輕期刊，以上四刊分別創刊于2016、2009、2015和2018年。
圖2 近5年來發表生物3D打印最多的20種期刊（深藍色為研究性論文，淺藍色為綜述，黃點代表生物3D打印占該期刊所有文章的比例）
從研究類型上來看，圖3展示的是近20年來各類打印方法的年發文情況，從近五年來看擠出式打印的發文量占比最大且呈快速發展的趨勢。
圖3 生物3D打印策略與發文量（紅色：激光輔助打印，黃色:噴墨打印，綠色：光固化打印，藍色：擠出式打印）
從發文驅動類型來看，作者將其分為三大類：
第一類：應用驅動的研究，側重于特定需求的生物3D打印，主要應用在不同的組織、病理模型以及用于藥物研發的器官芯片中。
第二類：生物材料研究，主要側重于開發新型生物墨水配方來改善可打印性或支持組織分化和成熟，來進行打印后細胞行為的研究。
第三類：研究打印過程聚焦于打印技術本身來提升生物3D打印的分辨率與精度從而避免細胞損傷，支撐復雜結構的設計，降低打印時間和成本，例如多材料多工藝融合打印。
圖4 生物3D打印論文分類（綠色：應用研究，黃色：生物墨水，生物材料與干細胞，紅色：打印工藝研究）
按應用領域來進行劃分，如圖5所示，31.7%的研究為骨打印相關研究，接下來依次是血管化組織、神經組織、軟骨、其他、心肌、肝、皮膚、肌肉、關節、神經再生、腎臟、脂肪組織以及肺。
圖5 按應用組織器官對所有科研論文進行分類
全球最高產的學術機構分布
文章統計了全球生物3D打印領域發文數量最高的國家依次是美國、中國、韓國、德國、英國、新加坡、加拿大、印度、澳大利亞、荷蘭、意大利、日本、法國、瑞士、葡萄牙。美國在科研人員總數上保持領先，擁有超過30家高產科研機構以及超過150名頂級作者，每家研究所平均擁有4.6位頂級作者，而中國在人員總數上排名第二，擁有超過10家高產科研單位以及近100位頂級作者，平均每家高產科研機構擁有7.5名頂級作者。全球排名前十的生物3D打印領域高產科研機構分別為加州大學圣地亞哥分校、哈佛大學、南洋理工大學、維克森林大學、浙江大學、麻省理工學院、浦項科技大學、清華大學、中科院系統、烏德勒支大學。中國共產出1036篇科研論文，擁有2家排名前十的科研機構，分別是浙江大學和清華大學。
圖6 世界發文最多國家及地理分布（藍色代表科研人員數，綠色代表科研機構數，黃色代表每家科研機構的平均研究人員數）
表1 生物3D打印領域論文高產國家與機構
(責任編輯：admin)
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