Dėl didelio 3D biospausdinimo technikos pažangos ląstelės ir audiniai buvo sukurti taip, kad elgtųsi natūralioje aplinkoje, kad būtų sukurtos „tikros“ biologinės struktūros.
3D spausdinimas yra procedūra, kurios metu medžiaga sujungiama ir tokiu būdu sujungiama arba sutvirtinama skaitmeniniu kompiuterio valdymu, kad būtų sukurtas trimatis objektas arba subjektas. Greitasis prototipų kūrimas ir priedų gamyba yra kiti terminai, vartojami apibūdinti šiai sudėtingų objektų ar objektų kūrimo, naudojant sluoksniuotą medžiagą ir laipsnišką kūrimą, arba tiesiog „priedų“ metodą. Ši nuostabi technologija gyvuoja tris dešimtmečius po to, kai buvo oficialiai atrasta 1987 m., tačiau tik neseniai ji buvo patraukta į dėmesio centrą ir išpopuliarėjo kaip ne tik prototipų kūrimo priemonė, bet ir visaverčių funkcinių komponentų pasiūlymas. Toks yra galimybių potencialas 3D spausdinimas, kad dabar jis skatina didelių naujovių diegimą daugelyje sričių, įskaitant inžineriją, gamybą ir mediciną.
Galimi įvairių tipų priedų gamybos metodai, kurie atlieka tuos pačius veiksmus, kad būtų pasiektas galutinis galutinis rezultatas. Pirmajame esminiame žingsnyje dizainas kuriamas naudojant CAD (kompiuterinio projektavimo) programinę įrangą kompiuteryje, vadinamą skaitmeniniu planu. Ši programinė įranga gali nuspėti, kaip susidarys galutinė struktūra ir taip pat elgsis, todėl šis pirmasis žingsnis yra labai svarbus geram rezultatui. Tada šis CAD dizainas konvertuojamas į techninį formatą (vadinamą .stl failu arba standartine teseliavimo kalba), kurio reikia, kad 3D spausdintuvas galėtų interpretuoti projektavimo instrukcijas. Tada reikia nustatyti 3D spausdintuvą (panašų į įprastą, namų ar biuro 2D spausdintuvą) faktiniam spausdinimui – tai apima dydžio ir orientacijos konfigūravimą, gulsčio ar stačios spaudinių pasirinkimą, spausdintuvo kasečių užpildymą reikiamais milteliais. . The 3D spausdintuvas tada pradedamas spausdinimo procesas, palaipsniui sukuriant dizainą po vieną mikroskopinį medžiagos sluoksnį. Šio sluoksnio storis paprastai yra apie 0.1 mm, nors jį galima pritaikyti, kad tiktų konkrečiam spausdinamam objektui. Visa procedūra dažniausiai yra automatizuota ir nereikia jokio fizinio įsikišimo, tik periodiniai patikrinimai, siekiant užtikrinti tinkamą funkcionalumą. Tam tikras objektas užbaigiamas nuo kelių valandų iki dienų, priklausomai nuo dizaino dydžio ir sudėtingumo. Be to, kadangi tai yra „priedų“ metodika, ji yra ekonomiška, ekologiška (be švaistymo) ir suteikia daug daugiau galimybių kurti dizainą.
Kitas lygis: 3D biospausdinimas
Biografinis spausdinimas yra tradicinio 3D spausdinimo išplėtimas su naujausiais pasiekimais, leidžiančiais 3D spausdinimą pritaikyti biologinėms gyvoms medžiagoms. Nors 3D rašalinis spausdinimas jau naudojamas kuriant ir gaminant pažangius medicinos prietaisus ir įrankius, reikia žengti dar vieną žingsnį, kad būtų galima spausdinti, peržiūrėti ir suprasti biologines molekules. Esminis skirtumas yra tas, kad skirtingai nuo rašalinio spausdinimo, biospausdinimas yra pagrįstas biologiniu rašalu, kurį sudaro gyvų ląstelių struktūros. Taigi, atliekant biospausdinimą, kai įvedamas tam tikras skaitmeninis modelis, konkretus gyvas audinys atspausdinamas ir sukuriamas sluoksnis po ląstelės sluoksnio. Dėl labai sudėtingų gyvo kūno ląstelių komponentų 3D biospausdinimas vyksta lėtai, o sudėtingi dalykai, tokie kaip medžiagų, ląstelių, veiksnių, audinių pasirinkimas, kelia papildomų procedūrinių iššūkių. Šiuos sudėtingumus galima išspręsti plečiant supratimą integruojant technologijas iš tarpdisciplininių sričių, pvz., biologijos, fizikos ir medicinos.
Didelė pažanga biospausdinimo srityje
Atliekant tyrimą paskelbtas Pažangios funkcinės medžiagos, mokslininkai sukūrė 3D biospausdinimo techniką, kuri naudoja ląsteles ir molekules, paprastai randamas natūraliuose audiniuose (jų natūralioje aplinkoje), kuriant konstrukcijas ar dizainus, primenančius „tikras“ biologines struktūras. Šis ypatingas biospausdinimo metodas sujungia „molekulinį savaiminį surinkimą“ su „3D spausdinimu“, kad sukurtų sudėtingas biomolekulines struktūras. Molekulinis savęs surinkimas yra procesas, kurio metu molekulės pačios priima apibrėžtą išdėstymą, kad atliktų konkrečią užduotį. Ši technika integruoja „mikro- ir makroskopinį struktūrinių ypatybių valdymą“, kurį „3D spausdinimas“ suteikia „molekulinės ir nano-skalės valdymui“, kurį įgalina „molekulinis savaiminis surinkimas“. Jis naudoja molekulinio savaiminio susijungimo galią, kad paskatintų spausdinamas ląsteles, o tai kitu atveju yra 3D spausdinimo apribojimas, kai įprastas „3D spausdinimo rašalas“ šios priemonės nesuteikia.
Tyrėjai „įterpė“ struktūras į „biologinį rašalą“, kuris yra panašus į jų gimtąją aplinką kūno viduje, todėl struktūros elgiasi taip, kaip elgtųsi kūne. Šis biologinis rašalas, dar vadinamas savaime susirenkančiu rašalu, padeda kontroliuoti arba modifikuoti chemines ir fizines savybes spausdinimo metu ir po jo, o tai leidžia atitinkamai paskatinti ląstelių elgesį. Unikalus mechanizmas, kai naudojamas bioprintavimas leidžia mums stebėti, kaip šios ląstelės veikia savo aplinkoje, taip suteikiant mums momentinį vaizdą ir supratimą apie tikrąjį biologinį scenarijų. Tai padidina galimybę sukurti 3D biologines struktūras spausdinant kelių tipų biomolekules, galinčias susijungti į gerai apibrėžtas struktūras įvairiais masteliais.
Ateitis yra labai viltinga!
Biospausdinimo tyrimai jau naudojami įvairių tipų audiniams generuoti, todėl gali būti labai svarbūs audinių inžinerijai ir regeneracinei medicinai, siekiant patenkinti transplantacijai tinkamų audinių ir organų – odos, kaulų, transplantatų, širdies audinių ir tt – poreikį. atveria daugybę galimybių kurti ir kurti biologinius scenarijus, pavyzdžiui, sudėtingą ir specifinę ląstelių aplinką, kad audinių inžinerija klestėtų, iš tikrųjų kuriant objektus ar konstrukcijas – skaitmeniniu valdymu ir molekuliniu tikslumu – kurie primena arba imituoja kūno audinius. Gyvų audinių, kaulų, kraujagyslių ir, galbūt, ištisų organų modelius galima sukurti medicininėms procedūroms, mokymui, bandymams, tyrimams ir vaistų atradimo iniciatyvoms. Labai specifinės kartos individualiems pacientams pritaikytos konstrukcijos gali padėti sukurti tikslius, tikslingus ir individualius gydymo būdus.
Viena didžiausių kliūčių biospausdinimui ir 3D rašaliniam spausdinimui apskritai buvo pažangios, sudėtingos programinės įrangos kūrimas, kad būtų galima susidoroti su iššūkiu pirmajame spausdinimo etape – kuriant tinkamą dizainą ar brėžinį. Pavyzdžiui, negyvų objektų planą galima sukurti nesunkiai, bet kalbant apie skaitmeninių, tarkime, kepenų ar širdies modelių kūrimą, tai yra sudėtinga ir ne taip paprasta, kaip dauguma materialių objektų. Biologinis spausdinimas neabejotinai turi daug privalumų – tikslų valdymą, pakartojamumą ir individualų dizainą, tačiau vis dar susiduria su keliais iššūkiais – svarbiausias iš jų yra kelių tipų ląstelių įtraukimas į erdvinę struktūrą, nes gyvenamoji aplinka yra dinamiška, o ne statiška. Šis tyrimas prisidėjo prie 3D biospausdinimo pažangos ir daug kliūčių galima pašalinti laikantis jų principų. Akivaizdu, kad tikroji biospausdinimo sėkmė siejama su keliais aspektais. Svarbiausias aspektas, galintis įgalinti biospausdinimą, yra atitinkamų ir tinkamų biomedžiagų kūrimas, spausdinimo skiriamosios gebos didinimas ir kraujagyslių patobulinimas, kad šią technologiją būtų galima sėkmingai pritaikyti kliniškai. Atrodo, kad neįmanoma „sukurti“ visiškai funkcionuojančių ir gyvybingų organų, skirtų žmogaus transplantacijai, naudojant biospausdinimą, tačiau vis dėlto ši sritis sparčiai vystosi, o dabar per kelerius metus yra daug pokyčių. Turėtų būti įmanoma įveikti daugumą su biospausdinimu susijusių iššūkių, nes mokslininkai ir biomedicinos inžinieriai jau yra sėkmingo sudėtingo biospausdinimo kelyje.
Kai kurios su biospausdinimu susijusios problemos
Svarbus dalykas, iškeltas biospausdinimo srityje, yra tai, kad šiuo metu beveik neįmanoma patikrinti bet kokio biologinio „asmeninio“ gydymo, siūlomo pacientams naudojant šią techniką, veiksmingumo ir saugumo. Be to, su tokiu gydymu susijusios išlaidos yra didelė problema, ypač kai tai susiję su gamyba. Nors labai įmanoma sukurti funkcinius organus, galinčius pakeisti žmogaus organus, tačiau šiuo metu nėra patikimo būdo įvertinti, ar paciento organizmas priims naują audinį ar sukurtą dirbtinį organą ir ar tokios transplantacijos bus sėkmingos visi.
Biospausdinimas yra auganti rinka ir daugiausia dėmesio bus skiriama audinių ir organų vystymuisi, o galbūt po kelių dešimtmečių 3D spausdintų žmogaus organų ir transplantacijų rezultatai bus matomi. 3D bioprintavimas ir toliau bus svarbiausias ir aktualiausias mūsų gyvenimo medicinos pokytis.
***
{Galite perskaityti pradinį tyrimo dokumentą spustelėję toliau pateiktą DOI nuorodą cituojamų šaltinių sąraše}
Šaltiniai)
Hedegaard CL 2018. Hidrodinamiškai valdomas hierarchinis peptidų ir baltymų bioinksų surinkimas. Pažangios funkcinės medžiagos. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
