Bioprindi ja selle rakenduste mõistmine

Bioprint, teatud tüüpi 3D-printimine, kasutab rakke ja muid bioloogilisi materjale tindidena 3D bioloogiliste struktuuride valmistamiseks. Bioprinditud materjalidel on potentsiaal parandada inimkehas kahjustatud elundeid, rakke ja kudesid. Tulevikus võib bioprinti kasutada tervete elundite nullist ehitamiseks - see võimalus võiks muuta bioprintide välja.

Teadlased on uurinud paljude erinevate bioprinti rakutüübid, sealhulgas tüvirakud, lihasrakud ja endoteelirakud. Mitmed tegurid määravad, kas materjali saab bioprintida või mitte. Esiteks peavad bioloogilised materjalid olema biosobivad tindis olevate materjalide ja printeri endaga. Lisaks mõjutavad protsessi ka trükitud struktuuri mehaanilised omadused ja elundi või koe küpsemiseks kuluv aeg.

Bioinkid jagunevad tavaliselt kahte tüüpi:

• Veepõhised geelidvõi hüdrogeelid toimivad 3D-struktuuridena, milles rakud saavad areneda. Rakke sisaldavad hüdrogeelid trükitakse määratletud kujuga ja polümeerid hüdrogeelides on omavahel ühendatud või "ristseotud", nii et trükitud geel muutub tugevamaks. Need polümeerid võivad olla looduslikult saadud või sünteetilised, kuid need peaksid rakkudega ühilduma.
  instagram viewer
• Rakkude agregaadid mis sulanduvad pärast printimist spontaanselt kudedesse.

Bioprintimise protsessil on 3D-printimisprotsessis palju sarnasusi. Bioprint jaguneb üldiselt järgmisteks etappideks:

• Eeltöötlus: Valmistatakse 3D-mudel, mis põhineb bioprinditava organi või koe digitaalsel rekonstrueerimisel. Selle rekonstrueerimise saab luua piltide põhjal, mis on jäädvustatud mitteinvasiivselt (nt MRI) või mõne invasiivsema protsessi abil, näiteks kahemõõtmeliste lõikude seeriana, mis on pildistatud röntgenikiirtega.
• Töötlemine: Eeltöötlusetapis 3D-mudeli põhjal koed või elundid trükitakse. Nagu muud tüüpi 3D-printimisel, liidetakse materjali printimiseks üksteise järel materjali kihid.
• Järeltöötlus: Prindi muutmiseks funktsionaalseks elundiks või koeks tehakse vajalikud protseduurid. Need toimingud võivad hõlmata trüki paigutamist spetsiaalsesse kambrisse, mis aitab rakkudel korralikult ja kiiremini küpseda.

Nagu muude 3D-printimise tüüpide puhul, saab ka biolinge printida mitmel erineval viisil. Igal meetodil on oma erinevad eelised ja puudused.

• Tindipõhine bioprintimine toimib sarnaselt kontoriprinteritele. Kui kujundus trükitakse tindiprinteriga, vallandatakse tint paberile paljude pisikeste düüside kaudu. Nii luuakse pilt, mis koosneb paljudest tilkadest, mis on nii väikesed, et need pole silmaga nähtavad. Teadlased on kohandanud tindiprinteri printimist bioprintimiseks, sealhulgas meetodeid, mis kasutavad tinti läbi pihustite kuumutamiseks või vibratsiooniks. Need bioprindid on odavamad kui muud tehnikad, kuid piirduvad madala viskoossusega biolinkidega, mis võivad omakorda piirata trükitavate materjalide tüüpe.
• Laseri abilbioprintimine kasutab laserit rakkude liigutamiseks lahusest suure täpsusega pinnale. Laser soojendab osa lahusest, luues õhutasku ja nihutades rakke pinna poole. Kuna see tehnika ei vaja väikeseid pihusteid, nagu tindiprinteril põhinevas bioprintides, saab kasutada suurema viskoossusega materjale, mis ei saa düüside kaudu hõlpsalt voolata. Laser-abil toimuv bioprint võimaldab ka väga täpset printimist. Laserist eralduv kuumus võib aga trükitavaid rakke kahjustada. Lisaks ei saa tehnikat hõlpsasti "mastaapida", et kiiresti printida struktuure suurtes kogustes.
• Ekstrusioonipõhine bioprintimine kasutab survet, et suruda materjal otsikust välja fikseeritud kuju saamiseks. See meetod on suhteliselt mitmekülgne: erineva viskoossusega biomaterjale saab trükkida rõhu reguleerimine, kuigi tuleks olla ettevaatlik, kuna kõrgem rõhk kahjustab tõenäolisemalt õhurõhku rakud. Ekstrusioonipõhist bioprinti võib tootmiseks tõenäoliselt laiendada, kuid see ei pruugi olla nii täpne kui muud tehnikad.
• Elektropihustus ja elektropulgatud bioprinterid kasutage vastavalt tilkade või kiudude loomiseks elektrivälju. Nende meetodite täpsus võib olla kuni nanomeeter. Kuid nad kasutavad väga kõrgepinget, mis võib rakkudele olla ohtlik.

Kuna bioprintimine võimaldab bioloogiliste struktuuride täpset konstrueerimist, võib seda meetodit kasutada biomeditsiinis palju. Teadlased on raku tutvustamiseks kasutanud bioprinti, mis aitab parandada südame pärast infarkti, samuti ladestada rakud haavatud nahasse või kõhre. Bioprinti on kasutatud südameklappide valmistamiseks, mida on võimalik kasutada südamehaigustega patsientidel, lihas- ja luukoe ehitamiseks ning närvide parandamiseks.

Kuigi nende tulemuste kliinilises keskkonnas toimimise kindlakstegemiseks tuleb veel tööd teha, uuringud näitavad, et bioprinti võib kasutada kudede regenereerimiseks operatsiooni ajal või pärast seda vigastus. Bioprinterid võimaldavad tulevikus ka terveid elundeid, näiteks maksa või südant, nullist valmistada ja kasutada elundite siirdamisel.

Lisaks 3D-bioprindile on mõned rühmad uurinud ka 4D-bioprinti, mis võtab arvesse aja neljandat mõõdet. 4D bioprintimine põhineb ideel, et trükitud 3D-struktuurid võivad aja jooksul areneda, isegi pärast nende printimist. Seega võivad struktuurid muuta oma kuju ja / või funktsiooni, kui nad on kokku puutunud parema stiimuliga, näiteks kuumus. 4D bioprinti võib kasutada biomeditsiinilistes piirkondades, näiteks veresoonte moodustamiseks, kasutades ära seda, kuidas mõned bioloogilised konstruktsioonid voldivad ja veerevad.

Ehkki bioprintimine võib tulevikus aidata päästa palju elusid, tuleb paljude probleemidega veel tegeleda. Näiteks võivad trükitud struktuurid olla nõrgad ega suuda säilitada oma kuju pärast nende viimist keha sobivasse kohta. Lisaks on kuded ja elundid keerukad, sisaldades väga erinevat tüüpi rakke, mis on paigutatud väga täpselt. Praegune printimistehnoloogia ei pruugi olla võimeline seda keerulist arhitektuuri kordama.

Lõpuks piirduvad olemasolevad tehnikad ka teatud tüüpi materjalidega, piiratud viskoossuse vahemikuga ja piiratud täpsusega. Iga tehnika võib kahjustada trükitavaid rakke ja muid materjale. Need probleemid lahendatakse, kuna teadlased arendavad jätkuvalt bioprinti, et lahendada üha keerukamaid tehnilisi ja meditsiinilisi probleeme.

• 3D-printeri abil genereeritud südamerakkude peksmine, pumpamine võib aidata südameataki põdevaid patsiente, Sophie Scott ja Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A. ja Ozbolat, I. “Bioprintimise tehnoloogia: praegune uusim ülevaade.” Tootmisteaduse ja tehnikaajakiri, 2014, vol. 136, ei. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. ja Xu, F. “4D bioprintimine biomeditsiiniliste rakenduste jaoks.” Biotehnoloogia suundumused, 2016, vol. 34, nr. 9, lk. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. ja Kim, G. “3D bioprintimine ja selle in vivo rakendused.” Ajakiri Biomedical Materials Research, 2017, vol. 106, nr. 1, doi: 10,1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G. ja Markwald, P. “Elunditrükk: arvutipõhine jetipõhine 3D-kudede ehitus.” Biotehnoloogia suundumused, 2003, vol. 21, ei. 4, lk. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S. ja Atala, A. “Kudede ja elundite 3D-bioprint.” Loodusbiotehnoloogia, 2014, vol. 32, nr. 8, lk. 773-785, doi: 10,1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. ja Yoo, J. "Bioprintide tehnoloogia ja selle rakendused." Kardio-rindkere kirurgia Euroopa ajakiri, 2014, vol. 46, ei. 3, lk. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. ja Lal, P. “Hiljutised arengud arvutipõhise koetehnika alal - ülevaade” Biomeditsiini arvutimeetodid ja -programmid, vol. 67, ei. 2, lk. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.