英國Nexus項目：3D打印技術讓一次性生物反應器更環(huán)保

導語：近年來，生物制藥行業(yè)對一次性生物反應器（SUT）的需求不斷增長。這些設備因其安裝便捷、靈活性高以及避免交叉污染的優(yōu)勢，廣泛應用于藥物研發(fā)和生產中。但是，SUT的大量使用也引發(fā)了對環(huán)境可持續(xù)性的擔憂。



2025年4月，南極熊獲悉，為了解決這一問題，英國啟動了一項名為“Nexus”的創(chuàng)新項目，通過結合3D打印技術和新型生物基材料，重新設計生物反應器的制造和使用方式，以減少浪費并推動綠色轉型。

傳統(tǒng)生物反應器的挑戰(zhàn)：便利性與可持續(xù)性的矛盾
傳統(tǒng)的生物反應器主要分為兩類：大型永久性不銹鋼系統(tǒng)和小型一次性塑料裝置。前者用于大規(guī)模藥物生產，后者則在研究實驗室和早期生產中使用。SUT容量從幾升到幾百升不等，具有安裝快、無需復雜滅菌程序的特點，能夠有效測試不同的藥物配方且不會造成交叉污染。但是，這些設備通常在使用后被直接丟棄，增加了塑料垃圾的產生量。


△左圖：大型生物反應器。右圖：一次性生物反應器

雖然SUT僅占全球塑料垃圾的一小部分（約0.002%），但其快速增長的趨勢令人擔憂。特別是在新冠疫情期間，這類設備在疫苗生產中發(fā)揮了關鍵作用。例如，輝瑞-BioNTech和Moderna利用SUT制造攜帶mRNA的脂質納米顆粒，強生公司用SUT培養(yǎng)生產疫苗所需的細胞。盡管這些技術幫助企業(yè)快速擴大了生產規(guī)模，但隨之而來的廢棄物問題也愈發(fā)凸顯。

Nexus 項目：3D 打印與可持續(xù)材料的結合
Nexus 項目由英國政府支持的技術機構 Innovate UK 提供 190 萬英鎊（約合 250 萬美元）的資金，匯集了研究人員和多家企業(yè)，旨在打造更環(huán)保、可重復使用的一次性生物處理設備。項目的核心目標是通過引入 3D 打印技術和新型生物基材料，解決一次性生物反應器帶來的環(huán)境問題。


△3D打印介質接觸裝置的CAD渲染圖，用于通過光譜法持續(xù)監(jiān)測生物反應器內的介質。

為何選擇 3D 打印？
3D 打印技術為生物反應器的制造帶來了顯著優(yōu)勢：

●無需傳統(tǒng)模具或工具即可定制高度復雜的部件，例如用于監(jiān)測細胞培養(yǎng)的介質接觸裝置。這些部件必須具備化學穩(wěn)定性、耐高溫性能以及與活細胞的兼容性。

●通過 3D 打印，設計師可以靈活調整形狀，同時減少對大型生產線的需求，從而降低浪費。

●3D 打印還支持“按需生產”，即只制造所需的部件數量，避免過度生產導致的資源浪費。

Nexus 項目計劃將3D打印與新型生物基熱固性樹脂結合，使部分部件可以通過高溫滅菌清潔后重復使用。這種設計既保留了一次性系統(tǒng)的便利性，又大幅減少了廢棄物的產生。

新樹脂，新可能性
Photocentric 是一家知名的樹脂基 3D 打印機制造商，其最新工業(yè)級打印機 JENI 將在 Nexus 項目中發(fā)揮重要作用。JENI 具備高速、大批量生產的特性，非常適合制造下一代生物反應器部件。

同時研究人員正在開發(fā)一種新型可持續(xù)的生物基熱固性樹脂。這種樹脂不僅能夠打印成型并硬化，還具有堅固、穩(wěn)定和可重復使用的特性。盡管熱固性樹脂通常難以回收，但團隊希望通過優(yōu)化配方，使其足夠耐用以承受高壓滅菌器的高溫消毒過程。

CPI 配方總監(jiān) Tony Jackson 表示：“我們專注于循環(huán)利用和報廢解決方案，確保該項目不僅能提升技術能力，還能推動實現凈零目標的重大進展。”


△Photocentric 的 JENI打印機

系統(tǒng)化方法：從材料到再利用的全鏈條創(chuàng)新
Nexus 項目采用全系統(tǒng)方法，與許多僅關注單一組件的研究不同，Nexus全面考慮了從材料選擇、制造工藝到再利用和報廢處理的所有環(huán)節(jié)：
●Sartorius公司為項目提供了生物制藥設備制造的專業(yè)知識；
●CPI 和倫敦帝國理工學院負責材料與工藝創(chuàng)新；
●謝菲爾德大學先進制造研究中心（AMRC）則貢獻了可持續(xù)性設計方面的專長；
●Photocentric 則專注于 3D 打印技術的應用。

Sartorius公司的Jeremy Pullin表示：“Nexus 項目的核心目標解鎖了當前應用的可能性，同時通過開發(fā)可持續(xù)的材料配方履行環(huán)保義務。”

實際測試與未來展望
Nexus 項目開發(fā)的組件將在現實環(huán)境中接受測試。初步階段將在藥物研究實驗室和小規(guī)模生產設施（如即時醫(yī)療機構）中進行評估。然后，團隊希望將這些技術推廣到工業(yè)生物技術領域，包括綠色化學品的生產。項目預計在未來兩年內取得重要進展。研究人員將評估 3D 打印部件的實際性能，包括消毒和重復使用頻率、經濟成本以及環(huán)境效益。最終目標是確保新工具在理論上更加環(huán)保的同時，在實際應用中是實現真正的可持續(xù)。

南極熊點評
Nexus 項目展示了 3D 打印和可持續(xù)材料在生物制藥領域的巨大潛力。通過重新設計一次性生物反應器，該項目不僅有助于減少塑料垃圾，還為行業(yè)的綠色轉型提供了新思路。隨著技術的成熟和推廣，Nexus 或將成為生物制藥行業(yè)邁向可持續(xù)發(fā)展的重要里程碑。