U velikom napretku u tehnici 3D biotiskanja, stanice i tkiva stvoreni su da se ponašaju u svom prirodnom okruženju kako bi konstruirali 'prave' biološke strukture
3D ispis je postupak u kojem se materijal dodaje i na taj način spaja ili učvršćuje pod digitalnom kontrolom računala kako bi se stvorio trodimenzionalni objekt ili entitet. Brza izrada prototipa i aditivna proizvodnja drugi su pojmovi koji se koriste za opisivanje ove tehnike stvaranja složenih objekata ili entiteta slojevitošću materijala i postupnom izgradnjom – ili jednostavno 'aditivna' metoda. Ova izvanredna tehnologija postoji već tri desetljeća nakon što je službeno otkrivena 1987. godine, a tek nedavno je gurnuta u središte pozornosti i popularnosti jer nije samo sredstvo za proizvodnju prototipa već nudi punopravne funkcionalne komponente. Takav je potencijal mogućnosti 3D tiskajući da sada pokreće velike inovacije u mnogim područjima uključujući inženjerstvo, proizvodnju i medicinu.
Dostupne su različite vrste aditivnih metoda proizvodnje koje slijede iste korake za postizanje konačnog rezultata. U prvom ključnom koraku dizajn se stvara pomoću CAD (Computer-Aided-Design) softvera na računalu – koji se naziva digitalni nacrt. Ovaj softver može predvidjeti kako će konačna struktura ispasti i također se ponašati, stoga je ovaj prvi korak od vitalnog značaja za dobar rezultat. Ovaj CAD dizajn se zatim pretvara u tehnički format (koji se naziva .stl datoteka ili standardni jezik za teselaciju) koji je neophodan da bi 3D pisač mogao interpretirati upute dizajna. Zatim, 3D pisač treba postaviti (slično običnom, kućnom ili uredskom 2D pisaču) za stvarni ispis – to uključuje konfiguriranje veličine i orijentacije, odabir pejzažnih ili portretnih ispisa, punjenje uložaka pisača pravim prahom . The 3D printer zatim započinje proces ispisa, postupno izgrađujući dizajn jedan po jedan mikroskopski sloj materijala. Ovaj sloj je obično debljine oko 0.1 mm, iako se može prilagoditi tako da odgovara određenom objektu koji se tiska. Cijeli je postupak uglavnom automatiziran i nije potrebna nikakva fizička intervencija, samo povremene provjere kako bi se osigurala ispravna funkcionalnost. Za dovršenje određenog objekta potrebno je nekoliko sati do dana, ovisno o veličini i složenosti dizajna. Nadalje, budući da je to 'aditivna' metodologija, ekonomična je, ekološki prihvatljiva (bez gubitka) i također pruža mnogo veći prostor za dizajn.
Sljedeća razina: 3D bioprinting
Biotisak proširenje je tradicionalnog 3D ispisa s nedavnim napretkom koji omogućuje primjenu 3D ispisa na biološke žive materijale. Dok se 3D inkjet tisak već koristi za razvoj i proizvodnju naprednih medicinskih uređaja i alata, potrebno je razviti korak dalje za ispis, pregled i razumijevanje bioloških molekula. Ključna razlika je u tome što se za razliku od inkjet tiska, biotisak temelji na bio-tinti, koja se sastoji od živih staničnih struktura. Dakle, u biotiskanju, kada se unese određeni digitalni model, specifično živo tkivo se ispisuje i gradi sloj po sloj. Zbog vrlo složenih staničnih komponenti živog tijela, 3D bioprinting sporo napreduje, a složenosti poput izbora materijala, stanica, čimbenika, tkiva predstavljaju dodatne proceduralne izazove. Te se složenosti mogu riješiti proširenjem razumijevanja integracijom tehnologija iz interdisciplinarnih područja, npr. biologije, fizike i medicine.
Veliki napredak u bioprintanju
U studiji objavljenoj u Napredni funkcionalni materijali, istraživači su razvili tehniku 3D biotiskanja koja koristi stanice i molekule koje se inače nalaze u prirodnim tkivima (njihovom prirodnom okruženju) za stvaranje konstrukcija ili dizajna koji nalikuju 'pravim' biološkim strukturama. Ova posebna tehnika biotiska kombinira 'molekularno samosastavljanje' s '3D ispisom' za stvaranje složenih biomolekularnih struktura. Molekularno samosastavljanje je proces kojim molekule same usvajaju definirani raspored kako bi izvršile određeni zadatak. Ova tehnika integrira 'mikro- i makroskopsku kontrolu strukturnih značajki' koju '3D ispis' pruža s 'molekularnom i nano-kontrolom' omogućenom 'molekularnim samosastavljanjem'. Koristi snagu molekularnog samosastavljanja kako bi stimulirao stanice koje se tiskaju, što je inače ograničenje u 3D ispisu kada obična '3D tinta za ispis' ne pruža to sredstvo za to.
Istraživači su 'ugradili' strukture u 'bio tintu' koja je slična njihovom prirodnom okolišu unutar tijela čineći da se strukture ponašaju onako kako bi se ponašale u tijelu. Ova biotinta, koja se naziva i samosastavljajuća tinta, pomaže u kontroli ili modulaciji kemijskih i fizičkih svojstava tijekom i nakon ispisa, što zatim omogućuje stimuliranje ponašanja stanica u skladu s tim. Jedinstveni mehanizam kada se primijeni na biotisak omogućuje nam da zapažamo kako te stanice rade unutar svog okruženja, dajući nam na taj način sliku i razumijevanje stvarnog biološkog scenarija. Povećava mogućnost izgradnje 3D bioloških struktura ispisivanjem više vrsta biomolekula koje se mogu sastaviti u dobro definirane strukture na više razina.
Budućnost je vrlo puna nade!
Istraživanje biotiskanja već se koristi za stvaranje različitih vrsta tkiva i stoga može biti vrlo važno za tkivno inženjerstvo i regenerativnu medicinu kako bi odgovorili na potrebe tkiva i organa prikladnih za transplantaciju – kože, kosti, transplantata, srčanog tkiva itd. Nadalje, tehnika otvara široku lepezu mogućnosti za dizajn i stvaranje bioloških scenarija kao što su složena i specifična stanična okruženja kako bi se omogućio prosperitet tkivnog inženjeringa stvarnim stvaranjem objekata ili konstrukcija - pod digitalnom kontrolom i s molekularnom preciznošću - koji nalikuju ili oponašaju tkiva u tijelu. Modeli živog tkiva, kostiju, krvnih žila i, potencijalno, i cijelih organa moguće je stvoriti za medicinske postupke, obuku, testiranje, istraživanje i inicijative za otkrivanje lijekova. Vrlo specifična generacija prilagođenih konstrukcija specifičnih za pacijente može pomoći u dizajniranju točnih, ciljanih i personaliziranih tretmana.
Jedna od najvećih prepreka za biotisak i 3D inkjet ispis općenito bio je razvoj naprednog, sofisticiranog softvera koji će odgovoriti na izazov u prvom koraku ispisa – stvaranje odgovarajućeg dizajna ili nacrta. Na primjer, nacrt neživih objekata može se lako izraditi, ali kada je u pitanju stvaranje digitalnih modela, recimo, jetre ili srca, to je izazovno i nije jednostavno kao većina materijalnih objekata. Bioprint definitivno ima brojne prednosti – preciznu kontrolu, ponovljivost i individualni dizajn, ali je još uvijek mučen s nekoliko izazova – najvažniji je uključivanje više tipova stanica u prostornu strukturu budući da je životno okruženje dinamično, a ne statično. Ova studija je pridonijela napretku 3D bioprintinga i mnoge se prepreke mogu ukloniti slijedeći njihova načela. Jasno je da pravi uspjeh biotiskanja ima nekoliko aspekata vezanih uz njega. Najvažniji aspekt koji može osnažiti bioprinting je razvoj relevantnih i odgovarajućih biomaterijala, poboljšanje rezolucije ispisa i vaskularizacija kako bi se ova tehnologija mogla uspješno primijeniti u kliničkoj praksi. Čini se nemogućim 'stvoriti' potpuno funkcionalne i održive organe za ljudske transplantacije biotiskom, ali unatoč tome ovo područje brzo napreduje i mnogo je razvoja u prvom planu u samo nekoliko godina. Trebalo bi biti ostvarivo prevladati većinu izazova povezanih s biotiskom budući da su istraživači i biomedicinski inženjeri već na putu uspješnog složenog biotiskanja.
Neki problemi s Bioprintingom
Kritična točka istaknuta u području biotiskanja je da je u ovoj fazi gotovo nemoguće testirati učinkovitost i sigurnost bilo kojeg biološkog 'personaliziranog' tretmana koji se nudi pacijentima koristeći ovu tehniku. Također, troškovi povezani s takvim tretmanima veliki su problem, posebno kada je u pitanju proizvodnja. Iako je vrlo moguće razviti funkcionalne organe koji mogu zamijeniti ljudske organe, ali čak i tada, trenutno ne postoji siguran način da se procijeni hoće li tijelo pacijenta prihvatiti novo tkivo ili nastali umjetni organ i hoće li takve transplantacije biti uspješne. svi.
Bioprinting je rastuće tržište i usredotočit će se na razvoj tkiva i organa, a možda će se za nekoliko desetljeća vidjeti novi rezultati u 3D tiskanim ljudskim organima i transplantacijama. 3D biotisak i dalje će biti najvažniji i najvažniji medicinski razvoj našeg života.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
Hedegaard CL 2018. Hidrodinamički vođeno hijerarhijsko samosastavljanje peptidno-proteinskih bioinks. Napredni funkcionalni materijali. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
