В результате значительного прогресса в технике трехмерной биопечати были созданы клетки и ткани, которые ведут себя одинаково в своей естественной среде, чтобы построить `` настоящие '' биологические структуры.
3D-печать - это процедура, при которой материал складывается и, таким образом, соединяется или затвердевает под цифровым управлением компьютера для создания трехмерного объекта или объекта. Быстрое прототипирование и аддитивное производство - другие термины, используемые для описания этой техники создания сложных объектов или сущностей путем наслоения материала и постепенного наращивания - или просто «аддитивного» метода. Эта замечательная технология существует уже три десятилетия после того, как была официально открыта в 1987 году, только недавно она привлекла внимание и стала популярной как средство не только для производства прототипов, но, скорее, для предложения полноценных функциональных компонентов. Таков потенциал возможностей 3D печатая, что в настоящее время он является движущей силой крупных инноваций во многих областях, включая машиностроение, производство и медицину.
Доступны различные типы аддитивных методов производства, которые следуют одним и тем же этапам для достижения конечного конечного результата. На первом решающем этапе дизайн создается с помощью программного обеспечения CAD (Computer-Aided-Design) на компьютере, называемого цифровым планом. Это программное обеспечение может предсказать, как будет выглядеть окончательная структура, а также поведет себя, поэтому этот первый шаг жизненно важен для хорошего результата. Этот проект САПР затем преобразуется в технический формат (называемый файлом .stl или стандартным языком тесселяции), который требуется для того, чтобы 3D-принтер мог интерпретировать инструкции по проектированию. Затем необходимо настроить 3D-принтер (аналогично обычному, домашнему или офисному 2D-принтеру) для фактической печати - это включает в себя настройку размера и ориентации, выбор альбомной или портретной печати, заполнение картриджей принтера правильным порошком. . В 3D принтер затем запускается процесс печати, постепенно наращивая дизайн по одному микроскопическому слою материала. Этот слой обычно имеет толщину около 0.1 мм, хотя его можно настроить в соответствии с конкретным печатаемым объектом. Вся процедура в основном автоматизирована, и не требуется никакого физического вмешательства, только периодические проверки для обеспечения правильной работы. На создание конкретного объекта уходит от нескольких часов до дней, в зависимости от размера и сложности дизайна. Кроме того, поскольку это «аддитивная» методология, она экономична, экологична (без потерь), а также обеспечивает гораздо больший простор для дизайна.
Следующий уровень: 3D биопечать
Биопечать является продолжением традиционной 3D-печати с последними достижениями, позволяющими применять 3D-печать к биологическим живым материалам. Хотя 3D-струйная печать уже используется для разработки и производства передовых медицинских устройств и инструментов, необходимо разработать еще один шаг для печати, просмотра и понимания биологических молекул. Принципиальное отличие состоит в том, что в отличие от струйной печати, биопечать основана на биочернилах, которые состоят из структур живых клеток. Итак, при биопечати, когда вводится конкретная цифровая модель, конкретная живая ткань печатается и наращивается слой за слоем клеток. Из-за очень сложных клеточных компонентов живого тела трехмерная биопечать развивается медленно, и такие сложности, как выбор материалов, клеток, факторов, тканей, создают дополнительные процедурные проблемы. Эти сложности могут быть решены путем расширения понимания путем интеграции технологий из междисциплинарных областей, например биологии, физики и медицины.
Большой прогресс в биопечати
В исследовании, опубликованном в Расширенные функциональные материалы, исследователи разработали технику трехмерной биопечати, которая использует клетки и молекулы, обычно присутствующие в естественных тканях (их естественной среде), для создания конструкций или конструкций, напоминающих «настоящие» биологические структуры. Этот конкретный метод биопечати сочетает в себе «молекулярную самосборку» с «3D-печатью» для создания сложных биомолекулярных структур. Молекулярная самосборка - это процесс, при котором молекулы сами принимают определенное расположение для выполнения определенной задачи. Этот метод объединяет «микро- и макроскопический контроль структурных особенностей», который «3D-печать» обеспечивает с «молекулярным и наноразмерным контролем», обеспечиваемым «молекулярной самосборкой». Он использует силу молекулярной самосборки для стимуляции печатаемых клеток, что в противном случае является ограничением в 3D-печати, когда обычные «чернила для 3D-печати» не предоставляют для этого таких средств.
Исследователи «встраивали» структуры в «биочернила», которые аналогичны их естественной среде внутри тела, заставляя структуры вести себя так же, как и в организме. Эти биочернила, также называемые самособирающимися чернилами, помогают контролировать или модулировать химические и физические свойства во время и после печати, что затем позволяет соответствующим образом стимулировать поведение клеток. Уникальный механизм при применении к bioprinting позволяет нам наблюдать за тем, как эти клетки работают в своей среде, тем самым давая нам моментальный снимок и понимание реального биологического сценария. Это увеличивает возможность создания трехмерных биологических структур путем печати нескольких типов биомолекул, способных собираться в четко определенные структуры в различных масштабах.
В будущее много надежд!
Исследования биопечати уже используются для создания различных типов тканей и, таким образом, могут быть очень важны для тканевой инженерии и регенеративной медицины для удовлетворения потребности в тканях и органах, подходящих для трансплантации - кожи, костей, трансплантатов, сердечной ткани и т. Д. открывает широкий спектр возможностей для проектирования и создания биологических сценариев, таких как сложные и специфические клеточные среды, чтобы обеспечить процветание тканевой инженерии путем фактического создания объектов или конструкций - под цифровым контролем и с молекулярной точностью - которые напоминают ткани в организме или имитируют их. Модели живых тканей, костей, кровеносных сосудов, а также потенциально и целых органов можно создавать для медицинских процедур, обучения, тестирования, исследований и инициатив по открытию лекарств. Очень специфическая генерация индивидуальных конструкций для конкретного пациента может помочь в разработке точных, целенаправленных и персонализированных процедур.
Одним из самых больших препятствий для биопечати и 3D-струйной печати в целом была разработка передового сложного программного обеспечения для решения задачи на первом этапе печати - создания соответствующего дизайна или чертежа. Например, можно легко создать план неживых объектов, но когда дело доходит до создания цифровых моделей, скажем, печени или сердца, это сложно и непросто, как для большинства материальных объектов. Биопечать определенно имеет множество преимуществ - точный контроль, повторяемость и индивидуальный дизайн, но по-прежнему сталкивается с рядом проблем, наиболее важной из которых является включение нескольких типов клеток в пространственную структуру, поскольку среда обитания динамична, а не статична. Это исследование способствовало развитию 3D-биопечати, и многие препятствия можно устранить, следуя их принципам. Понятно, что настоящий успех биопечати имеет несколько аспектов. Наиболее важным аспектом, который может расширить возможности биопечати, является разработка соответствующих и подходящих биоматериалов, повышение разрешения печати, а также васкуляризация, позволяющая успешно применять эту технологию в клинических условиях. На самом деле кажется невозможным «создать» полностью функционирующие и жизнеспособные органы для трансплантации человека с помощью биопечати, но, тем не менее, эта область быстро прогрессирует, и всего за несколько лет на передний план выходит множество разработок. Должно быть возможно преодолеть большинство проблем, связанных с биопечатью, поскольку исследователи и биомедицинские инженеры уже находятся на пути к успешной сложной биопечати.
Некоторые проблемы с биопечатью
Критический момент, поднятый в области биопечати, заключается в том, что на данном этапе практически невозможно проверить эффективность и безопасность любого биологического «персонализированного» лечения, предлагаемого пациентам, использующим эту технику. Кроме того, затраты, связанные с таким лечением, представляют собой большую проблему, особенно в том, что касается производства. Хотя вполне возможно разработать функциональные органы, которые могли бы заменить человеческие органы, но даже в этом случае в настоящее время нет надежного способа оценить, примет ли тело пациента новую ткань или созданный искусственный орган, и будут ли такие трансплантаты успешными при все.
Биопечать - это растущий рынок, и он будет сосредоточен на развитии тканей и органов, и, возможно, через несколько десятилетий можно будет увидеть новые результаты в области 3D-печати человеческих органов и трансплантатов. 3D bioprinting по-прежнему будет самым важным и актуальным медицинским достижением в нашей жизни.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
Hedegaard CL 2018. Гидродинамически управляемая иерархическая самосборка пептид-белковых биочувствительных элементов. Расширенные функциональные материалы. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
