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.
One of the biggest obstacles for bioprinting and 3D inkjet printing in general has been the development of an advanced, sophisticated software to meet the challenge at the first step of printing – creating an appropriate design or blueprint. For instance, the blueprint of non-living objects can be created easily but when it comes to creating digital models of say, a liver or heart, its challenging and not straightforward like most material objects. Bioprinting definitely has multitude advantages – precise control, repeatability and individual design but is still plagued with several challenges – the most important one being inclusion of multiple cell types in a spatial structure since a living environment is dynamic and not static. This study has contributed to advancement of 3D биопринтиране and lot of obstacles can be removed by following their principles. It is clear that the real success of bioprinting has several facets attached to it. The most crucial aspect which can empower bioprinting is development of relevant and appropriate biomaterials, enhancement of the resolution of the printing and also vascularisation to be able to successfully apply this technology clinically. It does seem impossible to ‘create’ fully functioning and viable organs for human transplant by bioprinting but nevertheless this field is progressing fast and plenty of developments are on the forefront now in just a few years. It should be achievable to overcome most of the challenges attached with bioprinting since researchers and biomedical engineers are already on the path to successful complex bioprinting.
Някои проблеми с биопринтирането
A critical point raised in the field of биопечат is that it is almost impossible at this stage to test the efficacy and safety of any biological ‘personalised’ treatments being offered to patients using this technique. Also, costs associated with such treatments is a big issue especially where manufacturing is concerned. Though it is very much possible to develop functional organs that can replace human organs, but even then, currently there is no fool proof way to assess whether the patient’s body will accept new tissue or the artificial organ generated and whether such transplants will be successful at all.
Bioprinting is a growing market and will focus on the development of tissues and organs and maybe in a few decades new outcomes would be seen in 3D printed human organs and 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
