3D-bioprintimise tehnika suure edusammu käigus on rakud ja koed loodud käituma oma loomulikus keskkonnas sarnaselt, et luua "tõelisi" bioloogilisi struktuure.
3D-printimine on protseduur, mille käigus materjal liidetakse kokku ja seega liidetakse või tahkutakse arvuti digitaalse juhtimise all, et luua kolmemõõtmeline objekt või olem. Kiirprototüüpimine ja lisatootmine on teised terminid, mida kasutatakse selle tehnika kirjeldamiseks keerukate objektide või üksuste loomiseks materjali kihistamise ja järkjärgulise ülesehitamise teel – või lihtsalt lisameetodina. See tähelepanuväärne tehnoloogia on olnud kasutusel kolm aastakümmet pärast selle ametlikku avastamist 1987. aastal, alles hiljuti on see rambivalgusesse ja populaarsusse tõstetud, kuna see ei ole lihtsalt prototüüpide tootmise vahend, vaid pakub pigem täisväärtuslikke funktsionaalseid komponente. Selline on võimaluste potentsiaal 3D trükkimine, et see juhib nüüd suuri uuendusi paljudes valdkondades, sealhulgas inseneritöös, tootmises ja meditsiinis.
Saadaval on erinevat tüüpi lisandite tootmismeetodeid, mis järgivad lõpptulemuse saavutamiseks samu samme. Esimeses olulises etapis luuakse disain arvuti CAD-tarkvara (Computer-Aided-Design) abil, mida nimetatakse digitaalseks kavandiks. See tarkvara suudab ennustada, kuidas lõplik struktuur välja kujuneb ja ka käitub, seega on see esimene samm hea tulemuse saavutamiseks ülioluline. See CAD-kujundus teisendatakse seejärel tehnilisse vormingusse (nimetatakse .stl-failiks või standardseks tessellatsioonikeeleks), mis on vajalik selleks, et 3D-printer saaks tõlgendada disainijuhiseid. Järgmiseks tuleb tegelikuks printimiseks seadistada 3D-printer (sarnaselt tavalise, kodu või kontori 2D-printeriga) – see hõlmab suuruse ja orientatsiooni seadistamist, horisontaal- või püstprintide valimist, printerikassettide täitmist õige pulbriga. . The 3D-printer seejärel alustab printimisprotsessi, ehitades järk-järgult üles kujunduse üks mikroskoopiline materjalikiht korraga. Selle kihi paksus on tavaliselt umbes 0.1 mm, kuigi seda saab kohandada, et see sobiks konkreetse prinditava objektiga. Kogu protseduur on valdavalt automatiseeritud ja ei vaja füüsilist sekkumist, vaid perioodiline kontroll, et tagada õige funktsionaalsus. Konkreetse objekti valmimine võtab olenevalt disaini suurusest ja keerukusest mitu tundi kuni päeva. Lisaks, kuna see on "lisaaine" metoodika, on see ökonoomne, keskkonnasõbralik (ilma raiskamiseta) ja pakub ka palju rohkem võimalusi disainilahenduste jaoks.
Järgmine tase: 3D-bioprintimine
Biotrükk on traditsioonilise 3D-printimise laiendus koos hiljutiste edusammudega, mis võimaldavad 3D-printimist rakendada bioloogilistele elusmaterjalidele. Kuigi 3D-tindiprintimist juba kasutatakse kõrgtehnoloogiliste meditsiiniseadmete ja -tööriistade väljatöötamiseks ja tootmiseks, tuleb bioloogiliste molekulide printimiseks, vaatamiseks ja mõistmiseks teha samm edasi. Oluline erinevus seisneb selles, et erinevalt tindiprinteri printimisest põhineb bioprintimine biotindil, mis koosneb elusrakkude struktuuridest. Seega prinditakse bioprintimisel konkreetse digitaalse mudeli sisestamisel konkreetne eluskude ja see ehitatakse üles kihthaaval. Eluskeha väga keeruliste rakuliste komponentide tõttu edeneb 3D-bioprintimine aeglaselt ja keerukused, nagu materjalide, rakkude, tegurite ja kudede valik, tekitavad täiendavaid protseduurilisi väljakutseid. Neid keerukusi saab lahendada mõistmise laiendamisega, integreerides interdistsiplinaarsete valdkondade, nt bioloogia, füüsika ja meditsiini tehnoloogiaid.
Suured edusammud bioprintimise vallas
Uuringus avaldatud Täiustatud funktsionaalsed materjalid, on teadlased välja töötanud 3D-bioprintimise tehnika, mis kasutab rakke ja molekule, mida tavaliselt leidub looduslikes kudedes (nende loomulikus keskkonnas), et luua konstruktsioone või kujundusi, mis meenutavad "päris" bioloogilisi struktuure. See konkreetne bioprintimise tehnika ühendab "molekulaarse isekoostumise" "3D-printimisega", et luua keerukaid biomolekulaarseid struktuure. Molekulaarne iseseisev kokkupanek on protsess, mille käigus molekulid võtavad konkreetse ülesande täitmiseks omaks kindlaksmääratud paigutuse. See tehnika integreerib struktuuriomaduste mikro- ja makroskoopilise juhtimise, mida 3D-printimine pakub koos molekulaarse ja nanoskaala juhtimisega, mis on võimaldatud molekulaarse isekoostumisega. See kasutab prinditavate rakkude stimuleerimiseks molekulaarse isekoostumise jõudu, mis on muidu 3D-printimise piirang, kui tavaline 3D-printimise tint seda vahendit ei paku.
Teadlased "manustasid" struktuure "biotindisse", mis on sarnane nende loomuliku keskkonnaga kehas, pannes struktuurid käituma nii, nagu nad kehas käituksid. See bio-tint, mida nimetatakse ka isekokkupandavaks tindiks, aitab kontrollida või moduleerida keemilisi ja füüsikalisi omadusi printimise ajal ja pärast seda, mis võimaldab seejärel vastavalt stimuleerida raku käitumist. Ainulaadne mehhanism, kui seda rakendada bioprintimine võimaldab meil teha tähelepanekuid selle kohta, kuidas need rakud oma keskkonnas töötavad, andes seeläbi meile hetkepildi ja arusaama tegelikust bioloogilisest stsenaariumist. See suurendab võimalust ehitada 3D bioloogilisi struktuure, trükkides mitut tüüpi biomolekule, mis on võimelised mitmel skaalal koonduma täpselt määratletud struktuurideks.
Tulevik on väga lootusrikas!
Bioprintimise uuringuid kasutatakse juba erinevat tüüpi kudede genereerimiseks ja seega võib see olla väga oluline koetehnoloogia ja regeneratiivmeditsiini jaoks, et rahuldada siirdamiseks sobivate kudede ja elundite – naha, luu, siiriku, südamekoe jne – vajadust. avab laias valikus võimalusi bioloogiliste stsenaariumide, näiteks keerukate ja spetsiifiliste rakukeskkondade kavandamiseks ja loomiseks, et võimaldada koetehnoloogia õitsengut, luues digitaalse kontrolli all ja molekulaarse täpsusega objekte või konstruktsioone, mis meenutavad või jäljendavad keha kudesid. Eluskudede, luude, veresoonte ja potentsiaalselt tervete elundite mudeleid on võimalik luua meditsiiniliste protseduuride, koolituse, testimise, uurimistöö ja ravimite avastamise jaoks. Väga spetsiifiline kohandatud patsiendispetsiifiliste konstruktsioonide genereerimine võib aidata kavandada täpseid, sihipäraseid ja isikupärastatud ravimeetodeid.
Bioprintimise ja üldiselt 3D-tindiprintimise üheks suurimaks takistuseks on olnud täiustatud ja keeruka tarkvara väljatöötamine, et vastata väljakutsele printimise esimeses etapis – sobiva kujunduse või kavandi loomisel. Näiteks elutute objektide kavandit saab hõlpsasti luua, kuid kui tegemist on näiteks maksa või südame digitaalsete mudelite loomisega, on see keeruline ja mitte lihtne nagu enamik materiaalseid objekte. Bioprintimisel on kindlasti palju eeliseid – täpne juhtimine, korratavus ja individuaalne disain, kuid sellel on siiski mitmeid väljakutseid – kõige olulisem neist on mitme rakutüübi kaasamine ruumistruktuuri, kuna elukeskkond on dünaamiline, mitte staatiline. See uuring on aidanud kaasa edenemisele 3D bioprintimine ja nende põhimõtteid järgides saab kõrvaldada palju takistusi. On selge, et bioprintimise tõelisel edul on mitu tahku. Kõige olulisem aspekt, mis võib bioprintimist soodustada, on asjakohaste ja sobivate biomaterjalide väljatöötamine, trüki eraldusvõime suurendamine ja ka vaskularisatsioon, et seda tehnoloogiat kliiniliselt edukalt rakendada. Täielikult toimivate ja elujõuliste elundite loomine inimese siirdamiseks bioprintimise teel tundub küll võimatu, kuid sellegipoolest edeneb see valdkond kiiresti ja juba mõne aastaga on esirinnas palju arenguid. See peaks olema saavutatav, et ületada enamik bioprintimisega seotud väljakutseid, kuna teadlased ja biomeditsiiniinsenerid on juba eduka kompleksse bioprintimise teel.
Mõned probleemid bioprintimisega
Valdkonnas tõstatatud kriitiline punkt bioprintimine seisneb selles, et praeguses etapis on peaaegu võimatu testida seda tehnikat kasutavatele patsientidele pakutavate bioloogiliste „personaliseeritud” ravimeetodite tõhusust ja ohutust. Samuti on sellise raviga seotud kulud suur probleem, eriti kui tegemist on tootmisega. Kuigi on vägagi võimalik välja töötada funktsionaalseid elundeid, mis suudaksid asendada inimorganeid, kuid isegi sel juhul ei ole praegu ühtegi lollikindlat viisi, kuidas hinnata, kas patsiendi organism võtab vastu uue koe või tekkinud tehiselundi ja kas sellised siirdamised õnnestuvad kõik.
Bioprintimine on kasvav turg ja keskendub kudede ja elundite arendamisele ning võib-olla on mõne aastakümne pärast näha uusi tulemusi 3D-prinditud inimorganites ja siirdamine. 3D bioprintimine on jätkuvalt meie elu kõige olulisem ja asjakohasem meditsiiniline areng.
***
{Saate lugeda esialgset uurimistööd, klõpsates alltoodud allika(te) loendis DOI lingil}
Allikas (d)
Hedegaard CL 2018. Peptiid-valgu biotintide hüdrodünaamiliselt juhitud hierarhiline isekoost. Täiustatud funktsionaalsed materjalid. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
