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生物3D打印行业研究报告(二)

作者: 15**15

来源:客户端

发布时间:2018-06-03 11:47:39

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生物3D打印技术应用方向

1. 个性化手术规划
随着医疗水平的快速提高,外科手术的难度不断加大,针对患者的病因,制作患处模型进行术前指导。传统的仅通过扫描技术对患处进行的术前规划存和患处打开后的实际情况存在较大误差,通过3D打印技术建立患处模型,能够更直观展示患处情况,方便医生进行术前规划。

该技术对3D打印过程的要求相对较低,主要以PLA为材料,尽可能还原患处真实情况,其技术重点在于患者CT三维重建。该类产品能够为医生和患者提供视觉及触觉体验,有利于医患交流,缓解医患关系紧张的现状。同时在面临较为复杂情况时,医生可以利用模型进行术前模拟,预测手术难度,进一步降低手术风险。

2017-2018年度“全美最佳医院”梅奥诊所自2009年开始使用3D打印技术构建1:1模型,在20 16年,仅该医院中心实验室就完成了600例(数据来自上海万耀科迅展览有限公司)复杂手术相关人体部分模型,市场前景广阔。


2. 颅面修复

传统颅面修复术主要采用自体骨骼移植技术,但有研究表明自体骨骼移植的平均术后感染概率为10.5%,具有较高的感染风险,同时还存在组织降解的危险,由于患处位于颅面部,这些可能在威胁患者生命健康同时还对患者生活质量造成了严重影响。通过生物3D打印技术利用高生物相容性生物材料制备植入物可降低感染风险,各材料平均感染概率如下表所示。



不同生物打印材料术后感染风险



颅面修复通过生物材料打印定制化颅片,手术植入患者损伤部位,修复患者颅骨及面部损伤的技术。其主要市场优势在于颅面骨骼3D打印通常采用定制化服务,针对患者个体差异进行产品设计,且与传统的钛合金颅片相比,具有快速成型、高强度、不易形变、隔热性好且不影响医学检验及安检的优势。同时,3D打印颅骨还能在术前利用颅骨缺损模型,帮助医生进行手术预演,能够有效提高手术效率和成功率。但3D定制颅片存在费用较高问题,且传统钛合金颅片已纳入医疗保健体系,与3D打印颅面修复存在较明显的市场竞争。



颅骨定制(XILLOC公司)


近年来,陆军军医大学西南医院、广医三院、南方医科大学珠江医院等已有多例PEEK-3D打印颅骨成功移植案例,证实3D打印颅骨对于大面积颅骨损伤有较好的修复效果,几乎没有免疫排斥反应,具有较好的市场潜力。


3. 骨骼移植(骨科)

大型骨骼及关节置换无法通过自体骨骼移植解决,但异种骨骼移植存在免疫排斥,风险极大,且由于个体间骨骼形态差异较大,个性化人工骨骼移植物定制在临床上面临庞大但市场需求,主要包括关节结构、支持骨骼以及骨骼辅助设备移植定制。通常采用钛合金复合生物水泥或聚合物涂层材料进行骨骼3D打印,通过生物3D打印技术得到的产品具有不受模具限制、贴合自体骨骼、封闭包裹等特点,能够最大程度上模拟自体骨骼形态,修复损伤部位。骨科移植设备要求具有足够的力学强度,在恢复患者骨骼形态同时保证其功能。

骨科是米钱医疗器械领域中最大的子行业之一,由于人口老龄化、个体期望提升、肥胖现象持续加剧,以及医保覆盖范围扩大等因素驱动,全球骨科产品市场2015年市场规模已达到38亿美元,在过去十年里保持约3.5%的年增速,预计在2019年将增至44亿美元。在我国,人口老龄化是骨科市场需求增长的主要原因,预计到2020年,我国人口总数将达到约14亿,而从下图中可以看到,预计2020年我国60岁以上人口占总人口数的比例将达到17.2%,约2.4亿人次。且值得关注的是, 据不完全调查,60岁以上人口骨质疏松患病率约20%,其中骨折发生率又占骨质疏松患者的27%,折合约1300万潜在客户。(数据来自国家统计局)




4.3D打印细胞支架

细胞的生长需要依附于一定的外环境,在细胞培养过程中,除去细胞生长代谢必须的营养物质,基于细胞贴壁生长的特性,还需要一定的支持介质。同时细胞在培养过程中存在接触抑制,因此反复稀释成为细胞传代培养中必不可少的步骤。利用生物3D打印技术构建细胞支架,能够为细胞提供模拟体内环境,同时细胞支架的多孔结构能够最大限度增加材料的表面积,为细胞生长分化提供良好的外环境。



细胞支架


3D打印细胞支架最常见的方法是SLS、SLA和FDM,但能够应用于SLS的打印材料较为局限,SLA方法获得的细胞支架易残留毒害物质对细胞造成伤害,FDM则需要高温塑形,不利于生物活性材料的导入。目前,FFM(低温沉积建模)打印在细胞支架领域具有较大的优势,利用低温冷却平台快速冷冻原材料聚合物溶液,通过冷冻干燥技术获得细胞支架,该技术由台湾国立中央大学廖昭仰等人于2016年发表,为3D打印细胞支架提供了新的技术支持。

细胞支架最初主要用来制备用于进行细胞毒理、药理学实验的组织材料,随着技术的发展,细胞支架被植入实验动物体内,实现创伤修复并在体内降解。目前,科学家们致力于利用宏观支架结构与细胞混合,通过对支架结构进行表面修饰,实现器官组织微结构的模拟。


5. 皮肤组织构建

皮肤是人体面积最大的器官,研究者们利用3D打印技术,拟合不同的基质模拟皮肤的生理特性,构建出高度仿生的人工皮肤组织,通过移植有效促进创伤愈合,同时发挥皮肤的防御作用,保护创口免于感染是3D打印皮肤最初的目的之一。据统计,我国每年约有1000万烧伤患者,其中三度及三度以上烧伤者约占15%(数据来自国家卫计委),对于这些患者,最直接有效的治疗方式便是皮肤移植。目前,皮肤移植的来源主要为自体皮肤移植,对于患者而言要承受较大痛苦,并且不适用于大面积组织损伤患者。3D打印皮肤将生物支架及表皮细胞结合,区别于传统人工皮肤不具有生物活性的特性,为皮肤移植患者提供了新的方案。

此外,生物3D打印皮肤在药品及化妆品测试上拥有极大的潜力,高度仿生及批量化试验数据为新产品研发带来了极大的便利。2015年化工巨头BASF与生物打印公司Poietis签订协议,共同研发皮肤等效模型,用以化妆品活性成分测试;2016年欧莱雅公司与生物技术公司Organovo合作研发3D打印皮肤;2017年,中国化妆品企业伽蓝集团与法国皮肤实验室LabSkin Creations合作,成功利用生物3D打印生产出亚洲人皮肤用于化妆品测试。由此可见,生物3D打印皮肤广受化妆品行业的关注。


6. 器官模拟

器官移植作为目前器官衰竭的重要治疗手段,面临的最大问题就是移植源短缺,尤其是心脏、肾脏等器官,统计数据显示我国目前器官移植的供需比高达1:30,存在巨大的缺口,同时由于免疫排异等生理现象的存在,配型成为了巨大的难题,而生物3D打印的出现则为此带来了希望。生物3D打印器官采用成体器官细胞与粘合剂,通过CT/MRI获取器官数据,打印出具有器官形状的组织并在生物孵化器中进行孵化培养。

美国Organovo公司利用生物3D打印技术成功打印出0.5 mm厚、4 mm见方的肝脏薄片,具有真正肝脏的大多数功能。2017年该公司在小鼠体内植入3D打印肝脏,成功存活并有效改善了试验小鼠α1-抗胰蛋白酶缺乏症症状。2017年哈佛大学Jenifer Lewis教授实验室成功打印出了人体肾脏基本功能单位近端小管,具有与原生近端小管一致的生理功能,可以有效应用于药物筛选,并向全肾3D打印迈出了重要的一步。

目前大量科研人员致力于器官生物3D打印,但主要集中在肝肾脏微结构打印,距离全器官打印并真正应用于移植领域还有很长的路要走。目前利用生物3D打印技术进行器官模拟,主要的市场在于疾病模型制备、药理毒理学检测,但技术要求严格,投入较大,市场准入门槛较高。


生物3D打印市场格局

生物3D打印市场特点:技术门槛高,科研投入大,生产企业稀缺。同时市场期望值高,需求量大,市场范围广,利润高。

生物3D打印自被提出就收到了广泛关注,越来越多的学者参与到该技术的研发领域。自2008年开始,来自Google Trends的数据显示“3D bioprinting”的搜索热度不断上升,生物3D打印持续升温,预计生物3D打印技术在未来十年保持17.5%的年复合增长率。



Google“3D bioprinting”的搜索热度变化趋势


目前,生物3D打印应用以药物筛选为主要产品方向,器官移植为终极目标,大部分生物3D打印公司处于初创阶段,需要大量资金投入进行研发,需要较强的技术背景支持,目标产品利润也相对较高,且药物筛选市场广阔,如果3D打印技术制造的组织能够有效替代实验动物,一方面增加了药物试验的精确度,打破了种属差异桎梏,另一方面药物直接作用于目标组织可以有效提高检测效率带来更大的机遇;而器官移植虽然还是一个相对遥远的目标,但由于我国,乃至世界范围内器官移植巨大缺口,潜在市场规模十分可观。


  1. 国际市场规模

截至2018年初,境外生物3D打印公司共融资40次,总融资金额达3.91亿美元。据权威机构麦肯锡预测,到2025年3D打印及其周边产业经济效益可能高达5500亿美元,其中生物3D打印占比15%,折合约825亿美元。而IDTechEx预测,到2025年,全球生物3D打印市场需求大约占全部3D打印市场份额的50%,约35亿美金元。预期差距较大,但根据2017年全球医疗器械销售额约为4000亿美元(数据来自MedicalDesign)并保持持续增长,估算生物3D打印器械约占比1%,折合美元约40亿,加之生物3D打印机、打印原料等周边产业,到2025年市场需求预计可达150亿美元。



2016年全球前十3D打印公司分布


目前全球3D打印公司百余家,主要集中在美国及欧洲,其中专司生物3D打印公司不足50家,包括美国的Organovo,日本的Cyfuse Biomedical,瑞典的OssDesign以及新加坡的Bio3D等。与一般3D生物打印公司相比,生物3D打印公司分布于全球各国,较为分散,但主要集中于科研水平较高的高校聚集地区,与研究院所及高校实验室合作进行研发。

下面将列举一些国际生物3D打印公司,并对其产品方向、融资事件等进行简要介绍。


1.1 Organovo Holdings(美国)——已上市

Organovo Holding成立于2007年,总部位于美国加利福尼亚州圣迭戈,致力于生物3D打印设计与开发,是全球最大的生物3D打印公司,目前全职雇员109人,据2016年公司财报显示,其2015年收入约148.3万美元,同比增长159%。

与同类型产业相比,该司拥有强大的知识产权体系,重点开发三类产品:标准化体外临床测试3D打印组织、定制化活性人体组织(药物筛选)、植入式3D组织,其核心竞争力在于产品丰富、技术领先并且拥有诸如欧莱雅、加州大学等一流的合作伙伴。



Organovo Holding融资事件




目前Organovo投入市场的产品主要有ExVive™下属的3D打印肝脏、肾脏组织,用于药物筛选过程中,早期药品研发与预临床试验的衔接筛选试验当中,但尚未盈利。Organovo Holding于2015年在美国纽约上市,市值2.57亿美元,每股2.7美元。截至2018年,每股盈余(EPS)高出其他生物医药类公司近一倍,处于快速增长期。


organovo Holding EPS


1.2Modern Meadow(美国)——B轮
Modern Meadow总部位于纽约布鲁克林,主营肉类及皮革制品生物3D打印,欲成为全球时尚服装与配饰、箱包、体育用品、室内装饰与家具生产商的首要皮革货源,是目前境外生物3D打印公司单笔最高融资记录保持着,B轮融资4000万美元。



Modern Meadow融资事件



Modern Meadow公司面向消费者推出Zoe品牌,是世界上首个生物皮革品牌,不受形态、密度限制,可与任何材料复合,收到广泛关注。目前公司通过支持其他产业达到盈利,用以支持生物3D皮革研发推广。
知识产权储备:皮革制造专利数十个。

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