I et stort fremskritt innen 3D bioprinting-teknikk, har celler og vev blitt skapt for å oppføre seg som i deres naturlige miljø for å konstruere "ekte" biologiske strukturer
3D-printing er en prosedyre der et materiale legges sammen og dermed sammenføyes eller størknes under digital kontroll av en datamaskin for å lage et tredimensjonalt objekt eller entitet. Rapid Prototyping og Additive Manufacturing er de andre begrepene som brukes for å beskrive denne teknikken for å lage komplekse objekter eller enheter ved å legge materiale på lag og gradvis bygge opp – eller ganske enkelt en "additiv" metode. Denne bemerkelsesverdige teknologien har eksistert i tre tiår etter å ha blitt offisielt oppdaget i 1987, først nylig har den blitt kastet inn i rampelyset og populariteten fordi den ikke bare er et middel til å produsere prototyper, men heller tilby fullverdige funksjonelle komponenter. Slik er potensialet av muligheter 3D skriver ut at det nå driver frem store innovasjoner på mange områder, inkludert ingeniørfag, produksjon og medisin.
Ulike typer additive produksjonsmetoder er tilgjengelige som følger de samme trinnene for å oppnå det endelige sluttresultatet. I det første avgjørende trinnet lages design ved hjelp av CAD-programvare (Computer-Aided-Design) på datamaskinen – kalt en digital blåkopi. Denne programvaren kan forutsi hvordan den endelige strukturen vil slå ut og også oppføre seg, derfor er dette første trinnet avgjørende for et godt resultat. Denne CAD-designen konverteres deretter til et teknisk format (kalt en .stl-fil eller standard tessellasjonsspråk) som kreves for at 3D-printeren skal kunne tolke designinstruksjoner. Deretter må 3D-skriveren konfigureres (ligner på en vanlig 2D-skriver hjemme eller på kontoret) for selve utskriften – dette inkluderer konfigurering av størrelse og orientering, valg av liggende eller stående utskrifter, fylling av skriverkassettene med riktig pulver . De 3D-skriver Deretter starter utskriftsprosessen, og bygger gradvis opp designet ett mikroskopisk lag av materialet om gangen. Dette laget er vanligvis rundt 0.1 mm i tykkelse, men det kan tilpasses for å passe til et bestemt objekt som skrives ut. Hele prosedyren er for det meste automatisert og ingen fysiske inngrep er nødvendig, kun periodiske kontroller for å sikre korrekt funksjonalitet. Et bestemt objekt tar flere timer til dager å fullføre, avhengig av størrelsen og kompleksiteten til designet. Videre, siden det er en "additiv" metodikk, er den økonomisk, miljøvennlig (uten sløsing) og gir også mye større muligheter for design.
Det neste nivået: 3D Bioprinting
bioprinting er en utvidelse av tradisjonell 3D-utskrift med de siste fremskrittene som gjør det mulig å bruke 3D-utskrift på biologiske levende materialer. Mens 3D-blekkstråleutskrift allerede brukes til å utvikle og produsere avansert medisinsk utstyr og verktøy, må et skritt videre utvikles for å skrive ut, se og forstå biologiske molekyler. Den avgjørende forskjellen er at i motsetning til blekkskriving, er bioutskrift basert på bioblekk, som består av levende cellestrukturer. Så, i bioprinting, når en bestemt digital modell legges inn, blir det spesifikke levende vevet skrevet ut og bygget opp lag for cellelag. På grunn av de svært komplekse cellulære komponentene i den levende kroppen, utvikler 3D-bioprinting seg sakte, og kompleksiteter som valg av materialer, celler, faktorer, vev utgjør ytterligere prosessuelle utfordringer. Disse kompleksitetene kan løses ved å utvide forståelsen ved å integrere teknologier fra tverrfaglige felt, f.eks. biologi, fysikk og medisin.
Stor fremgang innen bioprinting
I en studie publisert i Avanserte funksjonelle materialer, har forskere utviklet en 3D-bioprintingsteknikk som bruker celler og molekyler som vanligvis finnes i naturlig vev (deres opprinnelige miljø) for å lage konstruksjoner eller design som ligner "ekte" biologiske strukturer. Denne spesielle bioprintingsteknikken kombinerer "molekylær selvmontering" med "3D-utskrift" for å skape komplekse biomolekylære strukturer. Molekylær selvmontering er en prosess der molekyler vedtar et definert arrangement på egen hånd for å utføre en spesifikk oppgave. Denne teknikken integrerer "mikro- og makroskopisk kontroll av strukturelle funksjoner" som "3D-utskrift" gir med "molekylær og nanoskalakontroll" aktivert av "molekylær selvmontering". Den bruker kraften til molekylær selvmontering til å stimulere cellene som skrives ut, noe som ellers er en begrensning i 3D-utskrift når vanlig '3D-utskriftsblekk' ikke gir dette middelet for dette.
Forskere 'innebygde' strukturer i 'bioblekk' som ligner på deres opprinnelige miljø inne i kroppen, noe som gjør at strukturene oppfører seg som de ville i kroppen. Dette bio-blekket, også kalt det selvmonterende blekket, hjelper til med å kontrollere eller modulere kjemiske og fysiske egenskaper under og etter utskriften, som deretter gjør det mulig å stimulere celleadferd tilsvarende. Den unike mekanismen når den brukes på biotrykk lar oss gjøre observasjoner på hvordan disse cellene fungerer i deres miljøer, og gir oss dermed et øyeblikksbilde og forståelse av det virkelige biologiske scenarioet. Det øker muligheten for å bygge biologiske 3D-strukturer ved å skrive ut flere typer biomolekyler som er i stand til å settes sammen til veldefinerte strukturer i flere skalaer.
Fremtiden er veldig håpefull!
Bioprinting-forskning brukes allerede til å generere ulike typer vev og kan derfor være svært viktig for vevsteknologi og regenerativ medisin for å møte behovet for vev og organer som egner seg for transplantasjon – hud, bein, transplantater, hjertevev osv. Teknikken åpner opp et bredt spekter av muligheter for å designe og lage biologiske scenarier som komplekse og spesifikke cellemiljøer for å muliggjøre velstand for vevsteknologi ved faktisk å lage objekter eller konstruksjoner - under digital kontroll og med molekylær presisjon - som ligner eller etterligner vev i kroppen. Modeller av levende vev, bein, blodårer og potensielt og hele organer er mulig å lage for medisinske prosedyrer, opplæring, testing, forskning og medikamentoppdagelse. Svært spesifikk generasjon av tilpassede pasientspesifikke konstruksjoner kan hjelpe til med å designe nøyaktige, målrettede og personlig tilpassede behandlinger.
En av de største hindringene for bioprinting og 3D-blekkskriving generelt har vært utviklingen av en avansert, sofistikert programvare for å møte utfordringen i det første utskriftstrinnet – å lage et passende design eller blåkopi. For eksempel kan blåkopi av ikke-levende objekter lages enkelt, men når det kommer til å lage digitale modeller av for eksempel en lever eller hjerte, er det utfordrende og ikke enkelt som de fleste materielle objekter. Bioprinting har definitivt mange fordeler – presis kontroll, repeterbarhet og individuell design, men er fortsatt plaget med flere utfordringer – den viktigste er inkludering av flere celletyper i en romlig struktur siden et levende miljø er dynamisk og ikke statisk. Denne studien har bidratt til å fremme 3D-bioprinting og mange hindringer kan fjernes ved å følge deres prinsipper. Det er klart at den virkelige suksessen med bioprinting har flere aspekter knyttet til seg. Det mest avgjørende aspektet som kan styrke bioprinting er utvikling av relevante og passende biomaterialer, forbedring av utskriftens oppløsning og også vaskularisering for å kunne anvende denne teknologien klinisk. Det virker umulig å "skape" fullt fungerende og levedyktige organer for menneskelig transplantasjon ved bioprinting, men ikke desto mindre utvikler dette feltet seg raskt og mange utviklinger er i forkant nå om bare noen få år. Det bør være mulig å overvinne de fleste utfordringene knyttet til bioprinting siden forskere og biomedisinske ingeniører allerede er på vei til vellykket kompleks bioprinting.
Noen problemer med Bioprinting
Et kritisk poeng som er tatt opp innen bioprinting er at det er nesten umulig på dette stadiet å teste effektiviteten og sikkerheten til biologiske "personlig tilpassede" behandlinger som tilbys til pasienter som bruker denne teknikken. Kostnader forbundet med slike behandlinger er også et stort problem, spesielt når det gjelder produksjon. Selv om det er veldig mulig å utvikle funksjonelle organer som kan erstatte menneskelige organer, men selv da er det foreløpig ingen idiotsikker måte å vurdere om pasientens kropp vil akseptere nytt vev eller det kunstige organet som genereres og om slike transplantasjoner vil lykkes. alle.
Bioprinting er et voksende marked og vil fokusere på utvikling av vev og organer, og kanskje om noen tiår vil nye resultater bli sett i 3D-printede menneskelige organer og transplantasjoner. 3D biotrykk vil fortsette å være den viktigste og mest relevante medisinske utviklingen i vår levetid.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamisk guidet hierarkisk selvmontering av peptid-protein-bioinks. Avanserte funksjonelle materialer. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
