Zrozumienie bioprintingu i jego zastosowań

Bioprinting, rodzaj drukowanie 3d, wykorzystuje komórki i inne materiały biologiczne jako „atramenty” do wytwarzania struktur biologicznych 3D. Materiały drukowane biologicznie mogą naprawić uszkodzone narządy, komórki i tkanki w ludzkim ciele. W przyszłości bioprinting może zostać wykorzystany do budowy całych organów od zera, co może przekształcić dziedzinę bioprintingu.

Naukowcy badali bioprint wielu różnych typy komórek, w tym komórki macierzyste, komórki mięśniowe i komórki śródbłonka. Kilka czynników decyduje o tym, czy materiał może zostać wydrukowany biologicznie. Po pierwsze, materiały biologiczne muszą być biokompatybilne z materiałami zawartymi w tuszu i samą drukarką. Ponadto na proces wpływają również właściwości mechaniczne drukowanej struktury, a także czas dojrzewania narządu lub tkanki.

Bioinki zazwyczaj należą do jednego z dwóch rodzajów:

• Żele na bazie wodylub hydrożele działają jako struktury 3D, w których komórki mogą się rozwijać. Hydrożele zawierające komórki są drukowane w określone kształty, a
  instagram viewer
  polimery w hydrożelach są połączone razem lub „usieciowane”, dzięki czemu drukowany żel staje się mocniejszy. Te polimery mogą być pochodzenia naturalnego lub syntetyczne, ale powinny być kompatybilne z komórkami.
• Agregaty komórek które po drukowaniu spontanicznie łączą się w tkanki.

Proces bioprint ma wiele podobieństw do procesu drukowania 3D. Biodruk jest ogólnie podzielony na następujące etapy:

• Przetwarzanie wstępne: Przygotowuje się model 3D oparty na cyfrowej rekonstrukcji narządu lub tkanki, która ma zostać wydrukowana biologicznie. Tę rekonstrukcję można utworzyć na podstawie zdjęć wykonanych nieinwazyjnie (np. Przy użyciu MRI) lub w drodze bardziej inwazyjnego procesu, takiego jak seria dwuwymiarowych wycinków obrazowanych promieniami rentgenowskimi.
• Przetwarzanie: Drukowana jest tkanka lub narząd oparty na modelu 3D na etapie wstępnego przetwarzania. Podobnie jak w innych rodzajach druku 3D, warstwy materiału są kolejno dodawane w celu wydrukowania materiału.
• Przetwarzanie końcowe: Przeprowadzane są niezbędne procedury w celu przekształcenia druku w funkcjonalny narząd lub tkankę. Procedury te mogą obejmować umieszczenie wydruku w specjalnej komorze, która pomaga komórkom odpowiednio dojrzeć i szybciej.

Podobnie jak w przypadku innych rodzajów druku 3D, bioink można wydrukować na kilka różnych sposobów. Każda metoda ma swoje wyraźne zalety i wady.

• Biodruk na bazie atramentu działa podobnie do biurowej drukarki atramentowej. Kiedy wzór jest drukowany za pomocą drukarki atramentowej, tusz jest wypalany przez wiele małych dysz na papier. Tworzy to obraz złożony z wielu kropelek, które są tak małe, że nie są widoczne dla oka. Naukowcy przystosowali drukowanie atramentowe do bioprintów, w tym metod wykorzystujących ciepło lub wibracje do przepychania atramentu przez dysze. Te bioprintery są tańsze niż inne techniki, ale są ograniczone do bioinków o niskiej lepkości, które z kolei mogą ograniczać rodzaje materiałów, które można drukować.
• Wspomagany laserowobioprint używa lasera do precyzyjnego przenoszenia komórek z roztworu na powierzchnię. Laser nagrzewa część roztworu, tworząc kieszonkę powietrzną i przesuwając komórki w kierunku powierzchni. Ponieważ ta technika nie wymaga małych dysz, takich jak bioprint na bazie atramentu, można zastosować materiały o wyższej lepkości, które nie mogą łatwo przepływać przez dysze. Wspomagane laserowo bioprint pozwala również na bardzo precyzyjne drukowanie. Jednak ciepło z lasera może uszkodzić drukowane komórki. Ponadto techniki tej nie można łatwo „skalować”, aby szybko drukować struktury w dużych ilościach.
• Bioprint oparty na wytłaczaniu używa ciśnienia, aby wypchnąć materiał z dyszy w celu uzyskania stałych kształtów. Ta metoda jest stosunkowo wszechstronna: można drukować biomateriały o różnych lepkościach dostosowując ciśnienie, należy jednak zachować ostrożność, ponieważ wyższe ciśnienia są bardziej narażone na uszkodzenie komórki. Bioprint oparty na wytłaczaniu może być prawdopodobnie zwiększony do produkcji, ale może nie być tak precyzyjny jak inne techniki.
• Bioprintery z elektrorozpylaniem i elektrospinowaniem wykorzystuj pola elektryczne do tworzenia odpowiednio kropelek lub włókien. Metody te mogą mieć dokładność do nanometrów. Wykorzystują jednak bardzo wysokie napięcie, które może być niebezpieczne dla ogniw.

Ponieważ biodruk umożliwia precyzyjną budowę struktur biologicznych, technika ta może znaleźć wiele zastosowań w biomedycynie. Naukowcy wykorzystali bioprint do wprowadzenia komórek, aby pomóc naprawić serce po zawale serca, a także osadzić komórki w zranionej skórze lub chrząstce. Bioprinting został wykorzystany do wytworzenia zastawek serca do możliwego zastosowania u pacjentów z chorobami serca, budowy mięśni i kości oraz pomocy w naprawie nerwów.

Chociaż należy wykonać więcej pracy, aby ustalić, jak te wyniki wypadłyby w warunkach klinicznych, badania pokazują, że bioprint można wykorzystać do regeneracji tkanek podczas operacji lub po niej zranienie. Bioprintery mogłyby w przyszłości również umożliwić wytwarzanie od podstaw całych narządów, takich jak wątróbki lub serca, i wykorzystywanie ich do przeszczepów narządów.

Oprócz bioprint 3D niektóre grupy badały również bioprint 4D, który uwzględnia czwarty wymiar czasu. Bioprint 4D opiera się na założeniu, że drukowane struktury 3D mogą ewoluować z czasem, nawet po ich wydrukowaniu. Struktury mogą zatem zmieniać swój kształt i / lub funkcję po wystawieniu na odpowiedni bodziec, taki jak ciepło. Bioprint 4D może znaleźć zastosowanie w obszarach biomedycznych, takich jak wytwarzanie naczyń krwionośnych poprzez wykorzystanie tego, jak niektóre konstrukty biologiczne składają się i toczą.

Chociaż bioprint może pomóc uratować wiele istnień ludzkich w przyszłości, szereg wyzwań wymaga jeszcze rozwiązania. Na przykład drukowane struktury mogą być słabe i nie mogą utrzymać swojego kształtu po przeniesieniu do odpowiedniego miejsca na ciele. Co więcej, tkanki i narządy są złożone, zawierają wiele różnych rodzajów komórek ułożonych w bardzo precyzyjny sposób. Obecne technologie drukowania mogą nie być w stanie powielić tak skomplikowanych architektur.

Wreszcie, istniejące techniki są również ograniczone do niektórych rodzajów materiałów, ograniczonego zakresu lepkości i ograniczonej precyzji. Każda technika może potencjalnie spowodować uszkodzenie komórek i innych drukowanych materiałów. Kwestie te zostaną rozwiązane, gdy naukowcy będą nadal rozwijać bioprint w celu rozwiązania coraz trudniejszych problemów inżynieryjnych i medycznych.

• Bicie, pompowanie komórek serca generowanych za pomocą drukarki 3D może pomóc pacjentom z zawałem serca, Sophie Scott i Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A., i Ozbolat, I. “Technologia bioprintingu: aktualny najnowszy przegląd.” Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014, vol. 136, nr 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. i Xu, F. “Bioprint 4D do zastosowań biomedycznych.” Trendy w biotechnologii, 2016, vol. 34, nr 9, ss. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. i Kim, G. “Bioprint 3D i jego zastosowania in vivo.” Journal of Biomedical Materials Research, 2017, vol. 106, nr 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G., i Markwald, P. “Drukowanie narządów: wspomagana komputerowo inżynieria tkankowa 3D oparta na strumieniu.” Trendy w biotechnologii, 2003, vol. 21, nr 4, pp. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S., i Atala, A. “Bioprint 3D tkanek i narządów.” Nature Biotechnology, 2014, vol. 32, nr 8, ss. 773–785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A., i Yoo, J. "Technologia bioprintingu i jej zastosowania." European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2014, vol. 46, nr 3, pp. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. i Lal, P. “Ostatnie zmiany w inżynierii tkankowej wspomaganej komputerowo - przegląd.” Metody i programy komputerowe w biomedycynie, vol. 67, nr 2, pp. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.