转载原创 分寸资本研究部 分寸资本 2022-10-09 11:02 发表于广东   如有侵权，请联系。

 

 

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前言

 

      生物制造的一种方式为生物打印，另一种方式为生物组装。两者均以生物墨水为原料进行生物制造。前者面临着细胞之间排列不够紧密, 仿生度较低, 细胞一定程度受损, 打印通量较低等局限，生物组装可看成生物打印的技术迭代, 克服上述缺点，但生物组装并不是要完全否定生物打印，相反二者可以结合(比如:生物组装结合光固化技术等方式)。二者最终的目的都是朝着再生医学的方向努力，制造出移植可用的人造组织器官。

 

01

 

相关背景知识

 

1.1 相关定义

 

      (1)生物制造(Biofabrication):  从活细胞、生物活性分子、生物材料、细胞聚集物或细胞-材料混合构建具有结构组织的生物功能产品；生物制造的方式包括生物打印(Bioprinting)及生物组装(Bioassembly)^[2，7]。     

      (2)生物组装: 通过探索生物单元(如:细胞)与外部物理力(如:声场、磁场、电场等)之间的相互作用，将细胞自动组装成特定的二维或三维组织结构^[1]。 

      根据研究表明，生物组装的这几种驱动方式中，磁场与电场需要将细胞进行功能化处理，使其磁化或者负荷较高的电场力才能驱动。而声场组装通过形成无形的势能场进行细胞操控, 拥有无需对细胞功能化处理，对细胞无损，通量高等优点，因此声场组装相对于其他这些物理力而言，方法更加简便，分辨率高，是一种较为理想的组装方式^[1,6]。目前，声场组装可实现用于组装神经、心肌、血管等组织结构^[1,10]。仪器已经商业化，进展较快, 技术较为成熟。

      (3)声场组装：声学发生装置产生特定的声场(如: 法拉第波，体超声波)，产生声辐射力和流体作用力，在几秒内细胞会以非接触式、非侵入的方式形成特定的二维或三维结构^[1]。

 

生物制造中各种定义之间的联系

分寸资本整理

 

      本篇报告，生物组装的内容主要介绍以法拉第波介导的声场组装。由上图可知，生物组装与生物打印的技术可以有所结合，共同推动生物制造领域的发展。

 

1.2 法拉第波介导的声场组装

(1) 法拉第波介绍

      法拉第波是一种液体层的上下垂直振荡产生的加速度所引起的非线性驻波。

      驻波是指大小、传输速度相同，方向相反的两列波的叠加，其峰值幅度分布不随空间移动，波形图如下图所示。

驻波的波形图

(注: 黑色的波形图为方向相反的红蓝两列波的叠加)

图来源于tumblr

 

      生活中的实例：将双手放在盆边缘以大小相等，方向相反的力摩擦，会看到盆中的水溅起规则的波纹，该现象便是法拉第波引起的。

法拉第波在生活中的实例

图来源于公开信息

 

（2）法拉第波用于声场组装

 

      法拉第波产生的加速度会在液体表面或底部产生特定分布的势能场，势能场的分布由法拉第波的频率所决定。势能场中势能最低的地方称为节点/势阱位置，细胞在特定分布的势能场中受到水力拖拽力的作用总会从势能较高的地方向势能最低的地方移动并聚集于节点处形成图案^[1]。因此, 法拉第波可帮助细胞图案的快速成型，形成二维结构。

 

法拉第波介导下细胞的运动

图引自信息来源[1, 4]

 

 

法拉第波势能场形成的三维图像示意图

（细胞微粒会聚集到势能低的蓝色区域）

视频来源于NC State Dept. of Physics

 

（3）生物打印与声场组装对比

 

     生物打印及声场组装，二者的相同点均是利用活细胞为材料，形成所需的二维或三维结构。其制造过程的对比如下图所示。

生物打印与声场组装的制造流程对比

引自信息来源[3, 8]，分寸资本整理

 

      将声场组装与生物打印在制造效率，制造通量，生物兼容性及细胞密度四方面进行比较。声场组装的优势体现在以下方面。

 

• 制造效率高，组装时间短：声场组装时间仅需数秒至数十秒，组装时间与结构复杂程度、分辨率无关；而生物打印随着打印精度越高，产品越复杂所需时间越长。

 

      由视频可直观地看出，绘制同样的二维图案，声场组装较生物打印的效率明显提高。声场组装在生物打印慢慢挤出绘制时，在几秒钟内已经完成二维图案的绘制且不同的组装图案动态可调。

图案快速成型：左图为声场组装，右图为生物打印

视频来源于MimiX Biotherapeutics官网

 

• 制造通量高，适合大规模生产: 声场组装可同时操控1亿个组装单元，可组装80kg物质；而生物打印一般对单个目标结构进行打印，通量较低。

 

• 非接触式的组装方式，细胞损伤风险小，生物兼容性高：法拉第波的声波密度及频率范围低, 可使细胞存活率＞95%；而通过生物打印的方式细胞易受剪切力等影响，细胞存活率一般＜90%，更脆弱的干细胞存活率＜15%。

 

• 真实还原组织器官细胞密度, 功能结构仿真度提高：声场组装细胞排列紧密，可达到组装产品中97%为细胞，而生物打印的凝胶与细胞比例接近1:1，较难实现结构功能化。

 

        综上所述，生物声场组装省去了生物打印中二维结构/图案绘制的繁琐步骤，可快速将细胞图案快速成型。同时解决生物打印中细胞存活率受较大影响，细胞密度低, 功能仿生性低等痛点，从而推动生物制造用于人造组织器官方向的技术进步。

 

02

 

应用方向

 

声场组装与生物打印有较多相同的应用场景。比如，目前声场组装的设备可作为科研仪器销售，替换现有的生物打印机，主打科研市场。组装产品则可进入人造肉市场、药物筛选服务市场, 再生医学市场。这些方向通过生物打印或声场组装方式生产的产品均可进行运用，但生物组装的产品具有一定的优势，主要体现在以下几点。(这几个行业背后的驱动因素及对应的市场规模在上一篇生物打印的报告中已经详细阐述)

 

 (1) 声场组装形成的人造肉：一方面，细胞排列较紧密，增殖效率高，可实现高通量组装，降低培养基和因子等消耗量，从而使得成本降低；另一方面，精确控制细胞排布，长成“纤维肉”而非“肉糜”，从而提升口感。

 

(2)声场组装用于药筛的类器官模型: 结构仿生度高，更能够模拟真实的组织结构及生理状态，提高药理毒理研究的可信度及准确度。如, 康沃生物用声场组装技术制造的心肌微结构可实现规律性搏动。

 

(3) 再生医学领域, 生物打印及声场组装在这方面的运用均处于早期阶段, 但声场组装使得细胞排列及密度接近于体内组织器官的真实水平, 使得其组装产品的结构及功能仿生性更高，技术有所提升。

 

       除此之外，声场组装还可以拓展新的应用场景。由于适当的声波刺激可促进细胞的成熟分化^[9，10]，专注于声场组装的公司可通过其技术，尝试拓展新的运用场景。如: 结合声波发生装置，将其制成新一代的生物反应器。相比于传统的搅拌式的反应器而言，声波式的生物反应器具有损伤小，利于均一化培养等优势。

 

03

 

主要市场参与者

 

3.1 康沃先进制造

 

公司介绍：康沃先进制造成立于2021年12月，是一家以物理声场为平台，融合干细胞发育、传统3D打印、细胞包裹材料AI器疗辅助设计等技术，操控干细胞的发育成长以及和材料的组合，合成高活性的生物组织和器官的创新科技企业。公司联合创始人&首席科学家为武汉大学基础医学院的陈璞教授，斯坦福大学声场技术博士后研究员，他首次提出将法拉第波用于声场组装^[11]，是声波生物制造领域的专家。公司在声场组装专利布局领先。

主要进度：

第一代生物组装仪于2022年推出，设备不断升级迭代中。

 

声场组装仪

图来源于康沃公司官网

 

3.2 MimiX Biotherapeutics

 

公司介绍：瑞士公司mimiX Biotherapeutics成立于2019年8月，通过声音诱导形态发生Sound Induced Morphogenesis (SIM) 技术，即声场组装技术， 运用于生物制造领域。mimiX的联合创始人及CSO为Tiziano Serra博士是瑞士达沃斯AO研究所的科学家，在生物制造领域有丰富经验。

主要进度：

声场组装仪，CymatiX：据中国3D打印网信息，2020年公司的CymatiX处于原型阶段，计划于2021年商业化，目前进展未知。

 

CymatiX声场组装产品示意图

图来源于MimiX公司官网

 

04

技术发展&总结

 

       声场组装作为生物打印的技术迭代，能够实现制造通量高，效率高, 组装产品仿生度高等优势，推动着生物制造领域的不断发展。根据目前的研究，声场组装技术也在不断完善中，如陈璞教授等人，通过法拉第波介导的声场组装，可实现细胞的差分组装，复杂的图案绘制更加贴近组织的真实情况；而通过其他声波，如体超声介导的生物组装，可进一步提高组装效率，一次性组装形成三维结构^[4，5]。相信距离实现用于再生医学领域的人造组织器官的终极目标，距离可进一步缩短。声场组装运用在生物制造领域的发展时间较短，国内可关注的公司为康沃先进制造，直接对标的是国外公司MimiX Biotherapeutics。

 

信息来源：

[1] 刘念. 法拉第波介导的水力拖拽力对微粒图案化的研究及其生物制造应用[D].武汉大学, 2020. 

DOI:10.27379/d.cnki.gwhdu.2020.001341.

[2] Groll, J., Boland, T., Blunk, T., Burdick, J. A., Cho, D. W., Dalton, P. D., Derby, B., Forgacs, G., Li, Q., Mironov, V. A., Moroni, L., Nakamura, M., Shu, W., Takeuchi, S., Vozzi, G., Woodfield, T. B., Xu, T., Yoo, J. J., & Malda, J. (2016). Biofabrication: reappraising the definition of an evolving field. Biofabrication, 8(1), 013001. https://doi.org/10.1088/1758-5090/8/1/013001

[3]Santoni, S., Gugliandolo, S.G., Sponchioni, M., Moscatelli, D., & Colosimo, B.M. (2021). 3D bioprinting: current status and trends—a guide to the literature and industrial practice. Bio-Design and Manufacturing, 5, 14-42.

[4] Serpooshan, V., Chen, P., Wu, H., Lee, S., Sharma, A., Hu, D. A., Venkatraman, S., Ganesan, A. V., Usta, O. B., Yarmush, M., Yang, F., Wu, J. C., Demirci, U., & Wu, S. M. (2017). Bioacoustic-enabled patterning of human iPSC-derived cardiomyocytes into 3D cardiac tissue. Biomaterials, 131, 47–57. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2017.03.037

[5] Bouyer,  C.,  et  al.,  A  Bio-Acoustic  Levitational  (BAL) Assembly  Method  for Engineering  of  Multilayered,  3D  Brain-Like  Constructs,  Using  Human Embryonic Stem Cell Derived Neuro-Progenitors. Advanced Materials, 2016. 28(1): p. 161-7.

[6] Gastón A. Primo&Alvaro Mata. (2021). 3D Patterning within Hydrogels for the Recreation of Functional Biological Environments. https://doi.org/10.1002/adfm.202009574

[7] Sun, W., Starly, B., Daly, A. C., Burdick, J. A., Groll, J., Skeldon, G., Shu, W., Sakai, Y., Shinohara, M., Nishikawa, M., Jang, J., Cho, D. W., Nie, M., Takeuchi, S., Ostrovidov, S., Khademhosseini, A., Kamm, R. D., Mironov, V., Moroni, L., & Ozbolat, I. T. (2020). The bioprinting roadmap. Biofabrication, 12(2), 022002. https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab5158

[8] Minh-Tam Tran Le, Athena Olszewski and Keva Li. (2022). Beginner‘s Guide to Biopringting. Johns Hopkins University. https://meow.wse.jhu.edu/protocols/beginners-guide-to-bioprinting/

[9] Marycz, K., Lewandowski, D., Tomaszewski, K. A., Henry, B. M., Golec, E. B., & Marędziak, M. (2016). Low-frequency, low-magnitude vibrations (LFLM) enhances chondrogenic differentiation potential of human adipose derived mesenchymal stromal stem cells (hASCs). PeerJ, 4, e1637. https://doi.org/10.7717/peerj.1637

[10] Guex, A. G., Di Marzio, N., Eglin, D., Alini, M., & Serra, T. (2021). The waves that make the pattern: a review on acoustic manipulation in biomedical research. Materials today. Bio, 10, 100110. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2021.100110

[11]Chen, P., Luo, Z., Güven, S., Tasoglu, S., Ganesan, A. V., Weng, A., & Demirci, U. (2014). Microscale assembly directed by liquid-based template. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.), 26(34), 5936–5941. https://doi.org/10.1002/adma.201402079

 

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