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.
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 биопечать 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.
Некоторые проблемы с биопечатью
A critical point raised in the field of bioprinting 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 трансплантаты. 3Д 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
