Κατανόηση του βιογραφικού και των εφαρμογών του

Bioprinting, ένας τύπος Τρισδιάστατη εκτύπωση, χρησιμοποιεί κύτταρα και άλλα βιολογικά υλικά ως "μελάνια" για την κατασκευή τρισδιάστατων βιολογικών δομών. Τα βιογραφικά υλικά έχουν τη δυνατότητα να επιδιορθώνουν τα κατεστραμμένα όργανα, τα κύτταρα και τους ιστούς στο ανθρώπινο σώμα. Στο μέλλον, το βιογραφικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ολόκληρων οργάνων από το μηδέν, μια δυνατότητα που θα μπορούσε να μετασχηματίσει το πεδίο της βιογραφίας.

Οι ερευνητές έχουν μελετήσει τη βιογραφική των πολλών διαφορετικών τύπους κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων των βλαστοκυττάρων, των μυϊκών κυττάρων και των ενδοθηλιακών κυττάρων. Αρκετοί παράγοντες καθορίζουν εάν ένα υλικό μπορεί να υποστεί βιογραφικό ή όχι. Πρώτον, τα βιολογικά υλικά πρέπει να είναι βιοσυμβατά με τα υλικά στο μελάνι και τον ίδιο τον εκτυπωτή. Επιπλέον, οι μηχανικές ιδιότητες της τυπωμένης δομής, καθώς και ο χρόνος που χρειάζεται για να ωριμάσει το όργανο ή ο ιστός, επηρεάζουν επίσης τη διαδικασία.

Τα βιολογικά προϊόντα εμπίπτουν συνήθως σε έναν από τους δύο τύπους:

• Γέλες με βάση το νερό, ή υδρογέλες, δρουν ως 3D δομές στις οποίες τα κύτταρα μπορούν να ευδοκιμήσουν. Οι υδρογέλες που περιέχουν κύτταρα εκτυπώνονται σε καθορισμένα σχήματα και το πολυμερή στις υδρογέλες συνδέονται μεταξύ τους ή "διασυνδέονται" έτσι ώστε η τυπωμένη γέλη να γίνεται ισχυρότερη. Αυτά τα πολυμερή μπορεί να προέρχονται από τη φύση ή συνθετικά, αλλά θα πρέπει να είναι συμβατά με τα κύτταρα.
• Συσσωματώματα κυττάρων που συγχωνεύονται αυθόρμητα μεταξύ τους σε ιστούς μετά την εκτύπωση.

Η διαδικασία bioprinting έχει πολλές ομοιότητες με τη διαδικασία εκτύπωσης 3D. Η βιοπαραγωγή γενικά χωρίζεται στα ακόλουθα βήματα:

• Προεπεξεργασία: Παρασκευάζεται ένα 3D μοντέλο που βασίζεται σε μια ψηφιακή ανακατασκευή του οργάνου ή του ιστού που πρόκειται να βιογραφικοποιηθεί. Αυτή η ανασυγκρότηση μπορεί να δημιουργηθεί με βάση εικόνες που έχουν καταγραφεί μη επεμβατικά (π.χ. MRI) ή μέσω μιας πιο επεμβατικής διαδικασίας, όπως μια σειρά δισδιάστατων φετών που απεικονίζονται με ακτίνες Χ.
• Επεξεργασία: Εμφανίζεται ο ιστός ή το όργανο με βάση το μοντέλο 3D στο στάδιο προεπεξεργασίας. Όπως και σε άλλους τύπους 3D εκτύπωσης, τα στρώματα υλικού προστίθενται διαδοχικά για να εκτυπώσουν το υλικό.
• Μεταγενέστερη επεξεργασία: Εκτελούνται απαραίτητες διαδικασίες για τη μετατροπή της εκτύπωσης σε λειτουργικό όργανο ή ιστό. Αυτές οι διαδικασίες μπορεί να περιλαμβάνουν τοποθέτηση της εκτύπωσης σε ειδικό θάλαμο που βοηθά τα κύτταρα να ωριμάσουν σωστά και πιο γρήγορα.

Όπως συμβαίνει και με άλλους τύπους εκτύπωσης 3D, τα βιοντίζες μπορούν να εκτυπωθούν με διαφορετικό τρόπο. Κάθε μέθοδος έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

• Έγχρωμη εκτύπωση με βάση το μελάνι ενεργεί όμοια με έναν εκτυπωτή inkjet γραφείου. Όταν ένα σχέδιο εκτυπώνεται με έναν εκτυπωτή inkjet, το μελάνι εκτοξεύεται μέσω πολλών μικροσκοπικών ακροφυσίων πάνω στο χαρτί. Αυτό δημιουργεί μια εικόνα που αποτελείται από πολλά σταγονίδια που είναι τόσο μικρά, δεν είναι ορατά στο μάτι. Οι ερευνητές έχουν προσαρμόσει την εκτύπωση μελάνης για βιογραφικό, συμπεριλαμβανομένων μεθόδων που χρησιμοποιούν θερμότητα ή κραδασμούς για να πιέσουν το μελάνι μέσω των ακροφυσίων. Αυτοί οι βιολογικοί εκτυπωτές είναι πιο προσιτοί από άλλες τεχνικές, αλλά περιορίζονται σε βιονίκια χαμηλού ιξώδους, τα οποία θα μπορούσαν με τη σειρά τους να περιορίσουν τους τύπους υλικών που μπορούν να τυπωθούν.
• Υποβοηθούμενη από λέιζερβιογραφικό χρησιμοποιεί λέιζερ για να μεταφέρει τα κύτταρα από ένα διάλυμα σε μια επιφάνεια με μεγάλη ακρίβεια. Το λέιζερ θερμαίνει μέρος του διαλύματος, δημιουργώντας μια θήκη αέρα και μετακινώντας τα κύτταρα προς την επιφάνεια. Επειδή αυτή η τεχνική δεν απαιτεί μικρά ακροφύσια όπως στη βιο-εκτύπωση με βάση inkjet, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά υψηλότερου ιξώδους, τα οποία δεν μπορούν να ρέουν εύκολα μέσω ακροφυσίων. Η εκτύπωση με τη βοήθεια λέιζερ επιτρέπει επίσης την εκτύπωση πολύ υψηλής ακρίβειας. Ωστόσο, η θερμότητα από το λέιζερ μπορεί να προκαλέσει βλάβη στα κελιά που εκτυπώνονται. Επιπλέον, η τεχνική δεν μπορεί εύκολα να "κλιμακωθεί" για γρήγορη εκτύπωση δομών σε μεγάλες ποσότητες.
• Βιογραφικό με βάση την εξώθηση χρησιμοποιεί πίεση για να εξαναγκάσει το υλικό από ένα ακροφύσιο για να δημιουργήσει σταθερά σχήματα. Η μέθοδος αυτή είναι σχετικά ευέλικτη: μπορούν να εκτυπωθούν βιοϋλικά με διαφορετικά ιξώδη προσαρμόζοντας την πίεση, αν και πρέπει να λαμβάνετε υπόψη ότι οι υψηλότερες πιέσεις είναι πιθανότερο να προκαλέσουν ζημιά κυττάρων. Η βιολογική εκτύπωση με βάση την εξώθηση είναι πιθανό να κλιμακωθεί για την κατασκευή, αλλά μπορεί να μην είναι τόσο ακριβής όσο άλλες τεχνικές.
• Ηλεκτροψεκαστήρες και ηλεκτροσκοπικά βιογραφικά χρησιμοποιούν ηλεκτρικά πεδία για τη δημιουργία σταγονιδίων ή ινών, αντίστοιχα. Αυτές οι μέθοδοι μπορούν να έχουν ακρίβεια σε επίπεδο νανομέτρου. Ωστόσο, χρησιμοποιούν πολύ υψηλή τάση, η οποία μπορεί να μην είναι ασφαλής για τα κύτταρα.

Επειδή η βιο-εκτύπωση επιτρέπει την ακριβή κατασκευή βιολογικών δομών, η τεχνική μπορεί να βρει πολλές χρήσεις στη βιοϊατρική. Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει βιογραφικό για να εισαγάγουν κύτταρα για να βοηθήσουν στην αποκατάσταση της καρδιάς μετά από καρδιακή προσβολή, καθώς επίσης και να αποθέσουν κύτταρα σε τραυματισμένο δέρμα ή χόνδρο. Το Bioprinting έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή καρδιακών βαλβίδων για πιθανή χρήση σε ασθενείς με καρδιακές παθήσεις, για τη δημιουργία ιστών μυών και οστών και για την αποκατάσταση των νεύρων.

Αν και χρειάζεται να γίνει περισσότερη δουλειά για να προσδιοριστεί ο τρόπος με τον οποίο τα αποτελέσματα αυτά θα έχουν αποτελέσματα σε κλινικό περιβάλλον, η έρευνα δείχνει ότι η βιογραφική εκτύπωση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσει στην αναγέννηση των ιστών κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης ή μετά βλάβη. Οι βιογραφικοί δίσκοι θα μπορούσαν επίσης στο μέλλον να επιτρέπουν ολόκληρα όργανα όπως τα συκώτια ή οι καρδιές να γίνονται από το μηδέν και να χρησιμοποιούνται σε μεταμοσχεύσεις οργάνων.

Εκτός από το τρισδιάστατο βιογραφικό, ορισμένες ομάδες έχουν επίσης εξετάσει την 4D bioprinting, η οποία λαμβάνει υπόψη την τέταρτη διάσταση του χρόνου. Το 4D bioprinting βασίζεται στην ιδέα ότι οι τυπωμένες δομές 3D μπορεί να συνεχίσουν να εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου, ακόμα και μετά την εκτύπωση τους. Οι δομές μπορούν έτσι να αλλάξουν το σχήμα και / ή τη λειτουργία τους όταν εκτίθενται στο σωστό ερέθισμα, όπως η θερμότητα. 4D bioprinting μπορεί να βρει χρήση σε βιοϊατρικές περιοχές, όπως η κατασκευή των αιμοφόρων αγγείων εκμεταλλευόμενος τον τρόπο με τον οποίο κάποιες βιολογικές κατασκευές διπλώνουν και κυλούν.

Αν και η βιογραφική εκτύπωση θα μπορούσε να συμβάλει στη διάσωση πολλών ζωών στο μέλλον, δεν πρέπει να αντιμετωπιστούν ακόμη ορισμένες προκλήσεις. Για παράδειγμα, οι τυπωμένες δομές μπορεί να είναι αδύναμες και να μην μπορούν να διατηρήσουν το σχήμα τους αφού μεταφερθούν στην κατάλληλη θέση του σώματος. Επιπλέον, οι ιστοί και τα όργανα είναι πολύπλοκοι, που περιέχουν πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων διατεταγμένους με πολύ ακριβείς τρόπους. Οι τρέχουσες τεχνολογίες εκτύπωσης ενδέχεται να μην είναι σε θέση να αναπαράγουν τέτοιες πολύπλοκες αρχιτεκτονικές.

Τέλος, οι υπάρχουσες τεχνικές περιορίζονται επίσης σε ορισμένους τύπους υλικών, περιορισμένο εύρος ιξώδους και περιορισμένη ακρίβεια. Κάθε τεχνική έχει τη δυνατότητα να προκαλέσει βλάβη στα κελιά και άλλα υλικά που εκτυπώνονται. Αυτά τα θέματα θα αντιμετωπιστούν καθώς οι ερευνητές συνεχίζουν να αναπτύσσουν βιογραφικό για να αντιμετωπίσουν όλο και πιο δύσκολα μηχανικά και ιατρικά προβλήματα.

• Η άντληση, η άντληση καρδιακών κυττάρων που παράγονται με 3D εκτυπωτή θα μπορούσε να βοηθήσει ασθενείς με καρδιακή προσβολή, Sophie Scott και Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, Α., Και Ozbolat, Ι. “Τεχνολογία Bioprinting: Μια τρέχουσα ανασκόπηση της τεχνολογίας.” Εφημερίδα της Επιστήμης και της Μηχανικής Παραγωγής, 2014, τομ. 136, αριθ. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, Β., Yang, Q., Zhao, Χ., Jin, G., Ma, Υ., And Xu, F. “4D bioprinting για βιοϊατρικές εφαρμογές.” Τάσεις στη βιοτεχνολογία, 2016, νοΙ. 34, όχι. 9, σελ. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, Ν., Yang, G., Lee, J., and Kim, G. “3D bioprinting και in vivo εφαρμογές του.” Εφημερίδα της έρευνας για τα βιοϊατρικά υλικά, 2017, νοΙ. 106, αρ. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, Τ., Trusk, Τ., Forgacs, G., and Markwald, Ρ. “Εκτύπωση με όργανα: μηχανική 3D ιστών βασισμένη σε jet.” Τάσεις στη βιοτεχνολογία, 2003, νοΙ. 21, όχι. 4, σελ. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S., and Atala, Α. “3D bioprinting ιστών και οργάνων.” Nature Biotechnology, 2014, τομ. 32, όχι. 8, σελ. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Υ., Kang, Η., Lee, S., Atala, Α., And Υoo, J. "Τεχνολογία Bioprinting και εφαρμογές της." European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2014, τομ. 46, όχι. 3, σελ. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. και Lal, Ρ. “Πρόσφατη εξέλιξη στην τεχνική ιστών με υπολογιστή.” Μέθοδοι και προγράμματα υπολογιστών στη βιοϊατρική, τομ. 67, όχι. 2, σελ. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-Χ.