В основен напредък в техниката на 3D биопринтиране, клетките и тъканите са създадени, за да се държат в естествената си среда, така че да конструират „истински“ биологични структури
3D принтирането е процедура, при която материал се добавя заедно и по този начин се съединява или втвърдява под цифров контрол на компютър, за да се създаде триизмерен обект или обект. Бързото прототипиране и адитивното производство са другите термини, използвани за описване на тази техника за създаване на сложни обекти или обекти чрез наслояване на материал и постепенно изграждане – или просто „добавителен“ метод. Тази забележителна технология съществува в продължение на три десетилетия, след като беше официално открита през 1987 г., едва наскоро беше поставена в светлината на прожекторите и популярността като не просто средство за производство на прототипи, а по-скоро предлагаща пълноценни функционални компоненти. Такъв е потенциалът на възможностите на 3D печат, че сега води до големи иновации в много области, включително инженерство, производство и медицина.
Предлагат се различни видове адитивни производствени методи, които следват едни и същи стъпки за постигане на крайния краен резултат. В първата решаваща стъпка, дизайнът се създава с помощта на CAD (Computer-Aided-Design) софтуер на компютър - наречен цифров план. Този софтуер може да предвиди как ще се окаже окончателната структура и също така да се държи, така че тази първа стъпка е жизненоважна за добър резултат. Този CAD дизайн след това се преобразува в технически формат (наречен .stl файл или стандартен език за теселация), който е необходим, за да може 3D принтерът да интерпретира инструкциите за проектиране. След това 3D принтерът трябва да бъде настроен (подобно на обикновен, домашен или офис 2D принтер) за действителния печат – това включва конфигуриране на размера и ориентацията, избор на пейзажни или портретни отпечатъци, запълване на касетите на принтера с правилния прах . В 3D принтер след това започва процеса на печат, като постепенно изгражда дизайна един по един микроскопичен слой от материала. Този слой обикновено е с дебелина около 0.1 мм, въпреки че може да бъде персонализиран, за да отговаря на конкретен обект, който се отпечатва. Цялата процедура е предимно автоматизирана и не се изисква физическа намеса, а само периодични проверки, за да се гарантира правилната функционалност. Завършването на конкретен обект отнема от няколко часа до дни, в зависимост от размера и сложността на дизайна. Освен това, тъй като това е „добавителна“ методология, тя е икономична, екологична (без загуба) и също така предоставя много по-голям обхват за дизайн.
Следващото ниво: 3D биопринтиране
Биопечат е продължение на традиционния 3D печат с последните постижения, позволяващи 3D принтирането да се прилага към биологични живи материали. Докато 3D мастиленоструйният печат вече се използва за разработване и производство на модерни медицински устройства и инструменти, трябва да се разработи още една стъпка за отпечатване, преглед и разбиране на биологични молекули. Решаващата разлика е, че за разлика от мастиленоструйния печат, биопринтът се основава на био-мастило, което се състои от живи клетъчни структури. Така че при биопринтирането, когато се въвежда конкретен цифров модел, специфичната жива тъкан се отпечатва и изгражда слой по клетъчен слой. Поради изключително сложните клетъчни компоненти на живото тяло, 3D биопринтирането напредва бавно и сложности като избор на материали, клетки, фактори, тъкани създават допълнителни процедурни предизвикателства. Тези сложности могат да бъдат преодолени чрез разширяване на разбирането чрез интегриране на технологии от интердисциплинарни области, например биология, физика и медицина.
Голям напредък в биопринтирането
В проучване, публикувано в Разширени функционални материали, изследователите са разработили техника за 3D биопринтиране, която използва клетки и молекули, които обикновено се намират в естествените тъкани (родната им среда), за да създават конструкции или дизайни, които приличат на „истински“ биологични структури. Тази конкретна техника за биопринт комбинира „молекулярно самосглобяване“ с „3D печат“, за да създаде сложни биомолекулни структури. Молекулното самосглобяване е процес, чрез който молекулите сами приемат определена подредба, за да изпълнят конкретна задача. Тази техника интегрира „микро- и макроскопичен контрол на структурни характеристики“, който „3D печат“ осигурява с „молекулен и наномащабен контрол“, активиран от „молекулярно самосглобяване“. Той използва силата на молекулярното самосглобяване, за да стимулира клетките, които се отпечатват, което иначе е ограничение в 3D печата, когато обикновеното „мастило за 3D печат“ не предоставя това средство за това.
Изследователите са „вградили“ структури в „биомастило“, което е подобно на тяхната естествена среда в тялото, карайки структурите да се държат така, както биха се държали в тялото. Това биомастило, наричано още самосглобяващо се мастило, помага да се контролират или модулират химичните и физичните свойства по време и след отпечатването, което след това позволява съответно да се стимулира поведението на клетките. Уникалният механизъм, когато се прилага към биопечат ни позволява да правим наблюдения за това как тези клетки работят в тяхната среда, като по този начин ни дава моментна снимка и разбиране на реалния биологичен сценарий. Той повишава възможността за изграждане на 3D биологични структури чрез отпечатване на множество видове биомолекули, способни да се сглобяват в добре дефинирани структури в множество мащаби.
Бъдещето е много обнадеждаващо!
Изследванията с биопринт вече се използват за генериране на различни видове тъкани и по този начин могат да бъдат много важни за тъканното инженерство и регенеративната медицина, за да се отговори на нуждата от тъкани и органи, подходящи за трансплантация – кожа, кости, присадки, сърдечна тъкан и др. Освен това техниката отваря широк спектър от възможности за проектиране и създаване на биологични сценарии като сложни и специфични клетъчни среди, за да се даде възможност за просперитет на тъканното инженерство чрез действително създаване на обекти или конструкции - под цифров контрол и с молекулярна прецизност - които наподобяват или имитират тъкани в тялото. Моделите на жива тъкан, кости, кръвоносни съдове и, потенциално, и цели органи са възможни за медицински процедури, обучение, тестване, изследвания и инициативи за откриване на лекарства. Много специфично поколение персонализирани специфични за пациента конструкции може да помогне при проектирането на точни, насочени и персонализирани лечения.
Една от най-големите пречки пред биопринтирането и 3D мастиленоструйния печат като цяло е разработването на усъвършенстван, усъвършенстван софтуер, който да отговори на предизвикателството на първата стъпка от печата – създаване на подходящ дизайн или план. Например, планът на неживи обекти може да бъде създаден лесно, но когато става въпрос за създаване на цифрови модели, да речем, черен дроб или сърце, това е предизвикателно и не е просто като повечето материални обекти. Биопринтирането определено има множество предимства – прецизен контрол, повторяемост и индивидуален дизайн, но все още е измъчван от няколко предизвикателства – най-важното е включването на множество типове клетки в пространствена структура, тъй като жизнената среда е динамична, а не статична. Това проучване допринесе за напредъка на 3D биопринтирането и много препятствия могат да бъдат премахнати, като се следват техните принципи. Ясно е, че истинският успех на биопринтирането има няколко аспекта, свързани с него. Най-важният аспект, който може да даде възможност за биопринтиране, е разработването на подходящи и подходящи биоматериали, подобряване на разделителната способност на отпечатването, както и васкуларизацията, за да може тази технология да се приложи успешно клинично. Изглежда невъзможно да се „създадат“ напълно функциониращи и жизнеспособни органи за човешка трансплантация чрез биопринтиране, но въпреки това тази област напредва бързо и много разработки са на преден план само за няколко години. Трябва да бъде постижимо да се преодолеят повечето от предизвикателствата, свързани с биопринтирането, тъй като изследователите и биомедицинските инженери вече са по пътя към успешния комплексен биопринт.
Някои проблеми с биопринтирането
Критичен момент, повдигнат в областта на биопринтирането, е, че на този етап е почти невъзможно да се тества ефикасността и безопасността на каквито и да било биологични „персонализирани“ лечения, предлагани на пациенти, използващи тази техника. Освен това разходите, свързани с такива лечения, са голям проблем, особено когато става въпрос за производство. Въпреки че е много възможно да се разработят функционални органи, които могат да заменят човешките органи, но дори и тогава, понастоящем няма безупречен начин да се прецени дали тялото на пациента ще приеме нова тъкан или създадения изкуствен орган и дали такива трансплантации ще бъдат успешни при всичко.
Биопринтирането е нарастващ пазар и ще се фокусира върху развитието на тъкани и органи и може би след няколко десетилетия ще се видят нови резултати в 3D отпечатаните човешки органи и трансплантации. 3D биопечат ще продължи да бъде най-важното и подходящо медицинско развитие през живота ни.
***
{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}
Източник (и)
Hedegaard CL 2018. Хидродинамично ръководено йерархично самосглобяване на пептидно-протеинови биомастила. Разширени функционални материали. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
