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刘亚威 ¦ 解读美国先进生物组织制备制造创新机构

空天防务观察2021-10-11 10:58:22

 

 

20161221日,美国防部宣布成立先进生物组织制备(ATB)制造创新机构,机构位于新罕布什尔州曼彻斯特,由先进可再生制造研究所(ARMI)领导,包括87个地方政府、工业界、学术界和非盈利组织成员。此前的1216日,商务部宣布成立国家生物制药制造创新机构(NIIMBL),机构位于特拉华州纽瓦克,计划由新组建的独立非盈利组织美国生物有限公司领域,包括来自25个州超过150名政府、工业界、学术界和非盈利组织成员。

一、生物制药与生物组织制备

201612月,商务部与国防部分别牵头成立了国家生物制药制造创新机构(NIIMBL)与先进生物组织制备制造创新机构(ATB)。NIIMBL聚焦使用活体细胞生成复杂生物疗法,机构技术领域包括:成熟产品的创新,如疫苗和蛋白质疗法;新兴产品的创新,如基于细胞的癌症免疫疗法和基因疗法。基于细胞的疗法研究将形成单一成熟细胞的功能,如:成熟的免疫细胞在实验室中加以改造并用于病人,以矫正一个缺陷基因,或展示可让免疫系统攻击病人癌症肿瘤的一个分子。

ATB聚焦制作多细胞组织和生物组织产品的技术创新需求,机构技术领域包括:材料创新、生物打印和生物制备平台、自动化、生物材料质量和功能感知、保存。除了细胞,ATB还聚焦组织的其它组成模块,如细胞外生物材料。干细胞可以被操纵分化成许多类的器官和组织细胞,是众多潜在生物组织产品进行生物制备的一个关键细胞源。

生物组织制备需要高质量细胞的可靠供应,生物制药中生长单一细胞的创新将可应用于此。尽管两者的产品不同,但这两类生物制造拥有共同的基础设施。生物组织制备和生物制药都将受益于细胞生长和加工的进步,以及原材料标准、规模化细胞制造手段、保持细胞系存活的设备控制和细胞与细胞产品的储运。在这些领域,两家机构将互相借鉴对方的工作,避免重复,提升效率。

二、机构使命与组织运行

先进生物组织制备制造创新机构(ATB)旨在通过多学科协作,加速生物组织的制造以及组织相关技术的研究、开发和演示验证。ATB将在美国建立一个生物组织制备的端到端创新生态系统,其组织运行方式将允许政府、工业界和学术界走到一起,将先进生物组织制备技术领域当前碎片化的能力组织起来,面向军民应用,将制造成熟度等级(MRL)从4级(实验室演示验证)提高到7级(生产典型环境下生产)。

 

1  机构运行概念

ATB由先进可再生制造研究所(ARMI)领导,包括47家工业界成员、26家学术界成员和14家政府与非盈利组织成员。国防部将分5年向机构投资8000万美元,其中2017-2020财年均为1800万美元,2021财年为800万美元,之后联邦将不再直接进行投资。国防部长办公室负责国防制造与工业基础政策的副助理部长(MIBP)通过其制造技术项目监管该机构,陆军合同司令部阿伯丁试验场RTP部负责项目招标,陆军医用材料开发组织负责项目管理。

三、机构主要技术领域

机构主要关注4个技术领域:细胞&材料选择&获取,生物制备平台,工艺设计和自动化,生物组织精整和试验技术。

1. 细胞&材料选择&获取

活体细胞和生物材料是生物组织以及组织相关产品的基础成分,选择并获取这些起始材料对机构的生产力和可持续发展至关重要。包括四个子领域:干细胞,生长媒介和配方材料,生物材料支架前体和生物活性因子,起始材料的试验和确认。干细胞是生物组织制备的首选起始材料;生长媒介和配方材料为维持、扩张并分化到末端细胞类型所需;生物组织制备支架的前体材料包括合成和天然产品;基础成分的试验和确认是减少波动性、确保纯度并帮助制订供应与使用标准所必需的。任何生物制备工艺中都要考虑起始材料获取,特别是处理天然产品和活体细胞时,需求变化往往快于时间敏感的合成工艺或与其不同步。

1  该领域涉及的基本概念

生物组织产品

描述各种细胞和支架材料的三维组装,即在规定媒介和环境条件下以特定时间培养,成熟为模拟组织、器官的产品。

基础成分

描述一种生物组织制备工艺的前体材料,包括但不限于生物活性因子、支架、原代细胞、干细胞、水凝胶、天然聚合物、蛋白质、细胞外基质分子、聚合物、单体、交联剂分子和肽。

支架

描述一种具有变尺度孔隙/通道的材料,可促进细胞附着、复制、分化/成熟为生物组织。支架构建材料包括天然和合成聚合物与水凝胶,其制备技术包括光刻、软平板印刷、增材制造和模塑。

生物活性因子

描述各种活体有机体所需生物分子和微量物质,包括维生素和微量元素,以及细胞制造的生长因子和调控物质。

1)干细胞。机构重点关注诱导多能干细胞(iPSC)这种起始材料。从成人细胞源中诱导多能性的能力是关键的使能技术,它还存在多种制造挑战:包括细胞起始材料的标准化、终结供应问题、实现成本降低以及针对精密医学应用采取适当的时间/成本/生产规模。机构需要寻找方法来增加iPSC的可用性、经济可承受性和可靠性,以及细胞分化从实验室到生物制备代工厂中的一致性,挑战包括但不限于:减少从病人细胞切除到细胞产品可用之间的时间,以及细胞库数据库和跟踪系统。

2)生长媒介和配方材料。干细胞只有在确保适当分化状态的可用性、数量、质量和重复性时才能用于生物组织制备。机构创新生态系统必须拥有妥善定义、表征和标准化的,为生物制备优化的分化媒介配方与规程。媒介成分和配方的生物活性和稳定性必须用质量控制确保。

3)生物材料支架前体和生物活性因子。在构建三维组织支架之前,生物制备平台需要包括不同原料的前体起始材料,它们由合成和天然的聚合物、单体、低聚物、细胞外基质(ECM)、肽、蛋白质、水凝胶、交联剂和粉末组成,每个平台的原料需求各异。例如,生物打印机需要拥有适合活体细胞的比黏度和化学处理规程的生物墨水配方,而注模、微纳制备方法依赖拥有多步后处理规程的粗糙化学制品,确保在生物制备工艺中对细胞成分的最小毒性。对于即将成为标准实践的生物组织制备制造工艺,必须实现材料和生物活性因子在组织形成过程中的安全和标准化供应。机构必须证明这些材料使用得正确,并为规模化和制造质量保证而制订规程。无论何种情况,将生物材料制造和配方技术与生物组织制备的集成过程中,所有步骤都必须确保安全和质量。

4)起始材料的试验和确认。机构主要关注:确定各种分化细胞状态的手段、规程和标准;确定纯度以及媒介配方和生物材料中污染物告警的容差和标准;确保所有起始材料可获取性的一致路径。

2. 生物制备平台

生物制备工艺将生物材料和细胞组装进三维结构以创造活体组织拟态物,这些工艺在组织工程、可再生医学和片上器官的研究创新中已经成熟。理想的生物制备平台可实现细胞-细胞和细胞-材料的三维界面控制。包括三个子领域:微纳制备工具,去细胞组织,生物打印技术。机构必须:利用当前技术并评估新兴技术,以推动先进生物组织的制造;提升这些潜在颠覆性技术对创新者和最终用户的可用性;做好孵化器,开发新兴生物制备工具以革新当前工业级的生物组织支架实践。

1)微纳制备工具。这些工具可用于控制生物组织支架的孔隙度、生物降解速度、界面化学、力学性能和生物适应性,以及通过定向细胞迁移和附着,在三维构造内创建复杂支架以帮助控制细胞的放置和分化。这些技术包括:静电纺丝、光刻、软平板印刷、增材制造、模塑/铸造和盐浸,都是较成熟技术,更易成为优良制造规范(GMP)。此外,细胞和生物活性因子通常在已制备支架上添加,因此加工和制造条件不会受前体材料、溶剂、无菌状态和交联工艺的约束。机构必须使支架材料在微纳制备后满足纯度、生物适应性、毒性和生物降解等要求。

2)去细胞组织。去细胞组织特别适合于腱和脉管等组织和完整器官的重建。去细胞工艺移除所有原生细胞,完整保留天然生物聚合物、细胞外基质材料和原生结构(包括血管化)。在这些支架中播撒细胞和生物活性因子可以改善营养输送和废料移除,增进细胞附着/分化,加强整个三维组织结构和力学稳定性。不过,去细胞组织通常来自动物和人类尸体,可用性受限,而且存在批次波动问题。机构将帮助定义生产规模、去细胞规程以及细胞播撒和后续分化等,并将其标准化。

3)生物打印技术。机构需要解决如下挑战:增加速度和重复性的同时维持或提升打印分辨率;集成机器人和自动化以实现规模化并增加重复性;增大3D打印人体组织结构的多样性和力学性质;针对活体内外的生物打印问题制订试验和调控路径;定义可跨实验室和行业使用的受控平台和系统。

3. 工艺设计和自动化

当前绝大多数生物组织产品是一件一件手工制备的,生物制备平台的软件通常是自研的,缺乏自适应控制,在不同技术、平台或实验室难以执行跨领域功能。包括两个子领域:软件,设计和自动化。机构必须为组织工程、可再生医学和片上器官领域带来自动化和系统工程,促进其从实验室研究发展为制造工艺。自动化带来的工艺可重复是生物组织制备平台规模化的前提。机构还需要将工艺设计标准化,包括演示综合的与直观的用户界面在所有生物组织制备平台内都拥有精准度。

1)软件。机构需要开发一致和标准化的软件,以:降低非专业技术、研究和创新人员的进入门槛;推进文件类型统一和跨平台转换/标准化;推动可靠的工艺控制;将CAD/CAM用于多材料4D产品。

2)设计和自动化。机构必须解决制造能力差距,包括:面向极限尺寸和单件、多品种小批量的工艺设计;设计、构建并试验仿真与快速原型;规程优化;主要行业的工艺和拥有生物系统和活体细胞的材料的兼容性;将机器人硬件集成进生物工艺;开发快速、高通量和低成本手段以执行自动采样、样本分析并评价生物和材料特性;面向实时、无损的探测和检测工具的手段。

4. 生物组织精整和试验技术

已制备生物活体组织对环境和时间都是敏感的,它们需要合适的培养条件来成熟,并不断输送营养移除废料。此外还需要许多试验和监测来确定组织的功能和效力。多种培养和成熟方案可用于确保这些成果并实现对最终产品的适当控制和确认。包括两个子领域:组织培养、修整和成熟,已制备生物组织的试验和确认。机构必须使用培养和成熟手段的一个多样化组合,包括但不限于大/小尺度的生物反应器、高通量孔板和微流体芯片,并针对应用类型和所需尺度优化。已制备生物组织的保存和运输也需要与最终使用一致。机构必须对已制备生物组织进行试验和确认,使产品研究进一步发展为一项制造工艺。

1)组织培养、修整和成熟。生物反应器是复杂腔体,可用于控制3D组织和细胞/器官悬浮液的环境和培养条件;高通量孔板可帮助扩大基于组织的化验并允许生物复制和试验;微流体芯片正用于加速产品交付,减少生物组织制备工艺中所需的材料数量,并促进无损检测。机构关注生物反应器(连续、并行、自动调整到合适大小)的设计、集成和扩大,以及其基于组织类型的标准化参数和模型。标准化的组织成熟和修整规程对支持机构技术战略至关重要。

2)已制备生物组织的试验和确认。机构必须关注试验手段的重复性和扩展性,以及已制备生物组织的快速、高通量、无损和低成本测试、探测和监测手段的集成。这包括:组织存活性和功能性;组织扩散参数,包括屏障作用;通过组织的以及流入流出媒介的氧浓度;细胞在三维组织中的分布;细胞特质(显形);生物标记的存在、辨识和集中。已制备生物组织产品的试验和确认不能停留在实验室或制造厂,还必须制订规程和指令以确保后交付的成功。因此,必须向最终用户宣传广为认可的规程,以衡量组织的一致性、存活性、功能和效力。

2  机构的功能生态系统概念

ATB机构将提供一个完整的制造和试验支持结构,从起始材料选择直到通过工艺自动化和产品保证创建功能平台或试验设备。机构将应对共同的制造和试验挑战,它们来自可再生医学或医疗对策的持续性联邦投资,以及加强使能技术的新兴工业机遇。机构的成果可包括销售到产品代工厂或商业制造商的原型或自动化技术,这将通过以下方式实现:通过许可或其它协议进行规程、工艺或手段的技术转移,数据库访问、细胞和材料表征或者提供设计-构建-试验能力等服务。

刘亚威先生此前已为《空天防务观察》提供40篇专栏文章,如下表所示:

序号

篇名

发表日期

1

美国数字制造与设计创新机构助力美国智能制造

2015年2月16

2

非热压罐成形技术用于MS-21机翼主承力构件生产

2月23

3

热塑性复合材料加速进入民机主承力结构

2月25

4

轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔

2月27

5

增材制造(3D打印)——“美国制造,美国能行!”

3月11

6

2014,美国国家制造创新网络雏形初现

4月8

7

揭秘莫纳什大学增材制造中心——澳大利亚增材制造先锋

4月22

8

美国通用电气公司“工业互联网”——两大革命共鸣下的智能制造新前景

5月27

9

美国通用电气公司——高端增材制造技术的领军者

6月1

10

“数字制造”VS“智能制造”

8月17

11

你应知道的集成光子学和集成光子学制造创新机构

8月24

12

波音采用创新技术制造NASA新概念飞机机身

9月28

13

无人机复合材料结构低成本制造技术(节选)

10月9

14

你应知道的柔性混合电子学和柔性混合电子学制造创新机构

10月14

15

解读美国国家制造创新网络中制造创新机构的分级会员制

11月23

16

德国“工业4.0”之“智慧工厂”计划(上)(中)(下)

12月18日、21日和23

17

美国国家增材制造创新机构的技术路线图和项目概览(上)(下)

2016年18日、15

18

美国国家制造创新网络计划2015年实施亮点

2月15

19

美国政府发布首份国家制造创新网络年度报告和战略计划

2月22

20

美国国家制造创新网络战略计划要点

3月4

21

工业互联网联盟与工业4.0平台的合作始末

4月1

22

航空制造领域即将发生五个变革

4月6

23

你应知道的革命性纤维与织物和革命性纤维与织物制造创新机构

4月8

24

美国国家制造创新网络的知识产权管理

5月11

25

十八张图说新工业革命与未来航空制造

5月17

26

十七张图说波音创新制造新概念飞机机身和民机主承力构件非热压罐制造

5月23

27

人——航空智造转型之路的核心资产

5月30

28

定位高端——航空增材制造技术

6月6

29

美空军“未来工厂”愿景与专项计划

6月29

30

美国政府提出先进制造业优先技术领域(上)(下)

7月5日、77

31

美国智能制造领导力联盟——美国国家智能制造创新机构的领导者(上)(下)

7月11日、713

32

“增强现实”助力航空智能制造

9月8

33

美国制造创新机构运行效果的评价

10月19

34

美国数字制造与设计创新机构的项目机制

10月21

35

美国洛克希德·马丁公司深度参与国家制造创新网络

10月24

36飞机部装迈向智能化11月21
37

新工业革命下航空智能制造的三大典型范例

11月30

38

航空制造改变未来制造业:再次认识制造与航空制造

12月26日
39航空制造改变未来制造业:重新定义制造业12月28日
40美国防部发布增材制造路线图2017年3月1日

有兴趣的读者,可点击上表中“篇名”列的原文链接阅读。

(中国航空工业发展研究中心  刘亚威)


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