3D-biotulostustekniikan suuressa edistyksessä solut ja kudokset on luotu käyttäytymään luonnollisessa ympäristössään "oikeiden" biologisten rakenteiden rakentamiseksi.
3D-tulostus on prosessi, jossa materiaali yhdistetään ja siten liitetään yhteen tai kiinteytetään tietokoneen digitaalisessa ohjauksessa kolmiulotteisen objektin tai kokonaisuuden luomiseksi. Nopea prototyypitys ja lisätty valmistus ovat muita termejä, joita käytetään kuvaamaan tätä tekniikkaa, jossa monimutkaisia objekteja tai kokonaisuuksia luodaan kerrostelemalla materiaalia ja rakentamalla asteittain – tai yksinkertaisesti "additiivisena" menetelmänä. Tämä merkittävä tekniikka on ollut käytössä kolme vuosikymmentä sen jälkeen, kun se löydettiin virallisesti vuonna 1987, mutta vasta äskettäin se on noussut parrasvaloihin ja suosioon, koska se ei ole vain keino tuottaa prototyyppejä, vaan se tarjoaa täysimittaisia toiminnallisia komponentteja. Sellainen on mahdollisuuksien potentiaali 3D painaminen, että se johtaa nyt merkittäviä innovaatioita monilla aloilla, mukaan lukien suunnittelu, valmistus ja lääketiede.
Saatavilla on erilaisia lisäainevalmistusmenetelmiä, jotka noudattavat samoja vaiheita lopullisen lopputuloksen saavuttamiseksi. Ensimmäisessä ratkaisevassa vaiheessa suunnittelu luodaan CAD-ohjelmistolla (Computer-Aided-Design) tietokoneella, jota kutsutaan digitaaliseksi suunnitelmaksi. Tämä ohjelmisto voi ennustaa, kuinka lopullinen rakenne muodostuu ja myös käyttäytyä, joten tämä ensimmäinen askel on tärkeä hyvän tuloksen kannalta. Tämä CAD-suunnittelu muunnetaan sitten tekniseen muotoon (kutsutaan .stl-tiedostoksi tai tavalliseksi tessellaatiokieleksi), jota tarvitaan, jotta 3D-tulostin pystyy tulkitsemaan suunnitteluohjeita. Seuraavaksi 3D-tulostin on asennettava (samanlainen kuin tavallinen, kodin tai toimiston 2D-tulostin) varsinaista tulostusta varten – tähän sisältyy koon ja suunnan määrittäminen, vaaka- tai pystytulosteiden valinta, tulostinpatruunoiden täyttäminen oikealla jauheella. . The 3D-tulostin sitten aloittaa painatusprosessin rakentaen mallia vähitellen yksi mikroskooppinen kerros materiaalia kerrallaan. Tämä kerros on tyypillisesti noin 0.1 mm paksu, vaikka se voidaan mukauttaa sopimaan tiettyyn tulostettavaan kohteeseen. Koko toimenpide on pääosin automatisoitu eikä vaadi fyysisiä toimenpiteitä, vain määräajoin tehtävät tarkastukset oikean toiminnan varmistamiseksi. Tietyn kohteen valmistuminen kestää useista tunteista päiviin suunnittelun koosta ja monimutkaisuudesta riippuen. Lisäksi, koska se on "lisäaine" -menetelmä, se on taloudellinen, ympäristöystävällinen (ilman hukkaa) ja tarjoaa myös paljon enemmän tilaa suunnittelulle.
Seuraava taso: 3D-biotulostus
Biotulostus on perinteisen 3D-tulostuksen laajennus viimeaikaisilla edistyksillä, jotka mahdollistavat 3D-tulostuksen soveltamisen biologisiin eläviin materiaaleihin. Vaikka 3D-mustesuihkutulostusta käytetään jo edistyneiden lääkinnällisten laitteiden ja työkalujen kehittämiseen ja valmistukseen, biologisten molekyylien tulostamista, katselemista ja ymmärtämistä on kehitettävä askeleen eteenpäin. Ratkaiseva ero on, että toisin kuin mustesuihkutulostus, biotulostus perustuu biomusteeseen, joka koostuu elävistä solurakenteista. Joten biotulostuksessa, kun tietty digitaalinen malli syötetään, tietty elävä kudos tulostetaan ja rakennetaan kerros solukerrokselta. Elävän kehon erittäin monimutkaisten solukomponenttien vuoksi 3D-biotulostus etenee hitaasti, ja monimutkaiset asiat, kuten materiaalien, solujen, tekijöiden ja kudosten valinta, asettavat lisähaasteita. Näihin monimutkaisiin kysymyksiin voidaan puuttua laajentamalla ymmärrystä integroimalla tekniikoita monitieteisiltä aloilta, kuten biologiasta, fysiikasta ja lääketieteestä.
Suuri edistysaskel biopainatuksessa
Tutkimuksessa julkaistiin Kehittyneet toiminnalliset materiaalit, tutkijat ovat kehittäneet 3D-biotulostustekniikan, joka käyttää soluja ja molekyylejä, joita normaalisti esiintyy luonnollisissa kudoksissa (niiden luontaisessa ympäristössä), luodakseen rakenteita tai malleja, jotka muistuttavat "todellisia" biologisia rakenteita. Tämä erityinen biotulostustekniikka yhdistää "molekyylien itsekokoonpanon" "3D-tulostukseen" monimutkaisten biomolekyylirakenteiden luomiseksi. Molekyylien itsekokoaminen on prosessi, jossa molekyylit omaksuvat määritellyn järjestelyn itsenäisesti suorittaakseen tietyn tehtävän. Tämä tekniikka yhdistää "rakenteellisten ominaisuuksien mikro- ja makroskooppisen hallinnan", jonka "3D-tulostus" tarjoaa "molekyyli- ja nanomittakaavan ohjauksen" kanssa, jonka "molekyylinen itsekokoaminen" mahdollistaa. Se käyttää molekyylien itsekokoamisen voimaa tulostettavien solujen stimuloimiseen, mikä muuten on rajoitus 3D-tulostuksessa, kun tavallinen "3D-tulostusmuste" ei tarjoa tätä keinoa.
Tutkijat "upottivat" rakenteita "biomusteeseen", joka on samanlainen kuin niiden alkuperäinen ympäristö kehon sisällä, jolloin rakenteet käyttäytyvät samalla tavalla kuin kehossa. Tämä biomuste, jota kutsutaan myös itsekokoutuvaksi musteeksi, auttaa hallitsemaan tai moduloimaan kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia tulostuksen aikana ja sen jälkeen, mikä mahdollistaa solujen käyttäytymisen stimuloinnin vastaavasti. Ainutlaatuinen mekanismi, kun sitä käytetään biopainatus antaa meille mahdollisuuden tehdä havaintoja siitä, kuinka nämä solut toimivat ympäristöissään, mikä antaa meille tilannekuvan ja ymmärryksen todellisesta biologisesta skenaariosta. Se nostaa mahdollisuuden rakentaa 3D-biologisia rakenteita tulostamalla monenlaisia biomolekyylejä, jotka pystyvät kokoontumaan hyvin määritellyiksi rakenteiksi useassa mittakaavassa.
Tulevaisuus on erittäin toiveikas!
Bioprinting-tutkimusta käytetään jo erityyppisten kudosten tuottamiseen, ja se voi siten olla erittäin tärkeä kudostekniikalle ja regeneratiiviselle lääketieteelle, jotta voidaan vastata siirtoon soveltuvien kudosten ja elinten – ihon, luun, siirteiden, sydänkudoksen jne. – tarpeeseen. avaa laajan valikoiman mahdollisuuksia suunnitella ja luoda biologisia skenaarioita, kuten monimutkaisia ja spesifisiä soluympäristöjä, jotka mahdollistavat kudostekniikan vaurauden luomalla esineitä tai rakenteita – digitaalisessa ohjauksessa ja molekyylitarkkuudella – jotka muistuttavat tai jäljittelevät kehon kudoksia. Eläviä kudoksia, luuta, verisuonia ja mahdollisesti kokonaisia elimiä on mahdollista luoda lääketieteellisiin toimenpiteisiin, koulutukseen, testaukseen, tutkimukseen ja lääkekehityshankkeisiin. Hyvin spesifinen räätälöityjen potilaskohtaisten konstruktien sukupolvi voi auttaa suunnittelemaan tarkkoja, kohdistettuja ja henkilökohtaisia hoitoja.
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-biopainatus 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.
Jotkut bioprintingin ongelmat
A critical point raised in the field of biopainatus 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 elinsiirrot. 3D biopainatus on jatkossakin elämämme tärkein ja olennaisin lääketieteen kehitys.
***
{Voit lukea alkuperäisen tutkimuspaperin napsauttamalla alla olevaa DOI-linkkiä lainattujen lähteiden luettelossa}
Lähteet)
Hedegaard CL 2018. Peptidi-proteiinibiomusteiden hydrodynaamisesti ohjattu hierarkkinen itsekokoonpano. Kehittyneet toiminnalliset materiaalit. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
