Biopriešo ir jo taikymo supratimas

Biografija, tokio tipo 3D spausdinimas, naudoja ląsteles ir kitas biologines medžiagas kaip „rašalą“ 3D biologinėms struktūroms gaminti. Biologiškai atspausdintos medžiagos gali atkurti pažeistus žmogaus kūno organus, ląsteles ir audinius. Ateityje biologinis atspaudas gali būti naudojamas ištisiems organams kurti nuo nulio - galimybė, kuri galėtų paversti biologinio atspaudo lauką.

Tyrėjai ištyrė daugybę skirtingų biografijų ląstelių tipai, įskaitant kamienines ląsteles, raumenų ląsteles ir endotelio ląsteles. Keletas veiksnių lemia, ar medžiaga gali būti atspausdinta biologiškai. Pirmiausia biologinės medžiagos turi būti biologiškai suderinamos su rašalo ir paties spausdintuvo medžiagomis. Be to, procesui įtakos turi spausdintos struktūros mechaninės savybės, taip pat laikas, per kurį organas ar audinys subręsta.

Bioinkai paprastai skirstomi į vieną iš dviejų tipų:

• Vandeniniai geliaiarba hidrogeliai veikia kaip 3D struktūros, kuriose ląstelės gali klestėti. Hidrogeliai, kuriuose yra ląstelių, spausdinami į apibrėžtas formas, o
  instagram viewer
  polimerai hidrogeliuose yra sujungti arba „susieti“ taip, kad atspausdintas gelis būtų stipresnis. Šie polimerai gali būti natūraliai gauti arba sintetiniai, tačiau turėtų būti suderinami su ląstelėmis.
• Ląstelių agregatai kurie po spausdinimo spontaniškai susilieja į audinius.

Bio spausdinimo procesas turi daug panašumų su 3D spausdinimo procesu. Bioprinta paprastai skirstoma į šiuos etapus:

• Išankstinis apdorojimas: Parengtas 3D modelis, pagrįstas organiniu ar audinio, kurį planuojama atspausdinti, skaitmenine rekonstrukcija. Ši rekonstrukcija gali būti sukurta remiantis vaizdais, užfiksuotais neinvaziškai (pvz., Su MRT) arba atliekant labiau invazinį procesą, pavyzdžiui, dviejų matmenų pjūvių seriją, vaizduojamą rentgeno spinduliais.
• Apdorojimas: Audinys arba organas, remiantis 3D modeliu, pirminio apdorojimo etape yra atspausdinti. Kaip ir kitų tipų 3D spausdinimo metu, medžiagos atspaudai yra paeiliui sudėti.
• Po apdorojimo: Norint atspaudą paversti funkciniu organu ar audiniu, atliekamos būtinos procedūros. Šios procedūros gali apimti spaudinio įdėjimą į specialią kamerą, kuri padeda ląstelėms tinkamai ir greičiau subręsti.

Kaip ir kitų tipų 3D spausdinimo atveju, bioinkus galima spausdinti keliais skirtingais būdais. Kiekvienas metodas turi savų pranašumų ir trūkumų.

• Rašaliniai biopriešai veikia panašiai kaip biuro rašalinis spausdintuvas. Kai dizainas atspausdinamas rašaliniu spausdintuvu, rašalas išpilamas per daug mažų purkštukų ant popieriaus. Taip sukuriamas vaizdas, sudarytas iš daugelio lašelių, kurie yra tokie maži, kad nematomi akiai. Tyrėjai pritaikė rašalinį spausdinimą biologiniam spausdinimui, įskaitant metodus, kuriais šiluma ar vibracija spaudžiant rašalą per purkštukus. Šie bioprinteri yra pigesni nei kiti būdai, tačiau jie apsiriboja mažo klampumo bioindomais, kurie savo ruožtu gali apriboti medžiagų, kurias galima spausdinti, rūšis.
• Lazeriubiografija naudoja lazerį ląstelėms perkelti iš tirpalo į paviršių labai tiksliai. Lazeris sušildo dalį tirpalo, sukurdamas oro kišenę ir nukreipdamas ląsteles paviršiaus link. Kadangi ši technika nereikalauja mažų purkštukų, kaip antai rašalinių spausdintuvų pagrindu pagamintas spausdinimas, gali būti naudojamos didesnio klampumo medžiagos, kurios negali lengvai tekėti per purkštukus. Biografinis spausdinimas lazeriu taip pat leidžia spausdinti labai tiksliai. Tačiau lazerio skleidžiama šiluma gali sugadinti spausdinamas ląsteles. Be to, technikos negalima lengvai „padidinti“, kad būtų galima greitai atspausdinti didelius kiekius struktūrų.
• Ekstruzijos pagrindu pagamintas biografinis spausdinimas Naudodamas slėgį išstumia medžiagą iš purkštuko, kad sukurtų fiksuotas formas. Šis metodas yra gana universalus: skirtingos klampos biomedžiagas galima spausdinti sureguliuoti slėgį, tačiau reikėtų būti atsargiems, nes didesnis slėgis labiau linkęs pažeisti ląstelės. Ekstruzijos pagrindu pagamintas biografinis spausdinimas greičiausiai gali būti padidintas gaminant, tačiau jis gali būti ne toks tikslus kaip kiti metodai.
• Elektros purškimas ir elektropulkinimas naudokite elektrinius laukus, kad susidarytumėte atitinkamai lašelius ar pluoštus. Šie metodai gali būti tikslūs iki nanometrų. Tačiau jie naudoja labai aukštą įtampą, kuri ląstelėms gali būti nesaugu.

Kadangi biologinis spausdinimas įgalina tiksliai sudaryti biologines struktūras, biomedicinoje gali būti naudojama daugybė metodų. Tyrėjai panaudojo bioprinti, kad įvestų ląsteles, kurios padėtų atkurti širdį po širdies smūgio, taip pat įneštų ląsteles į sužeistą odą ar kremzlę. Bioprinta buvo naudojama širdies vožtuvų gamybai, kad būtų galima juos naudoti pacientams, sergantiems širdies liga, raumenų ir kaulų audiniams kaupti bei nervams atstatyti.

Nors norint nustatyti, kaip šie rezultatai bus klinikinėje aplinkoje, reikia įdėti daugiau darbo, tyrimai rodo, kad bioprinta gali būti naudojama audinių regeneracijai operacijos metu ar po jos sužalojimas. Bioprinters ateityje taip pat galėtų sudaryti galimybę iš nulio gaminti ištisus organus, pavyzdžiui, kepenis ar širdis, ir juos naudoti organų transplantacijai.

Be 3D spausdinimo biografijoje, kai kurios grupės taip pat ištyrė 4D bioprintą, kuriame atsižvelgiama į ketvirtąją laiko dimensiją. 4D bioprintas grindžiamas idėja, kad spausdintos 3D struktūros laikui bėgant gali vystytis, net ir jas atspausdinus. Taigi struktūros gali pakeisti savo formą ir (arba) funkcijas, veikiamos tinkamo stimulo, pavyzdžiui, šilumos. 4D biologinis spausdinimas gali būti naudojamas biomedicinos srityse, pavyzdžiui, kuriant kraujagysles pasinaudojant tuo, kaip sulankstytos ir suvyniotos kai kurios biologinės konstrukcijos.

Nors biografija ateityje galėtų padėti išgelbėti daugybę gyvybių, dar reikia išspręsti keletą iššūkių. Pavyzdžiui, atspausdintos struktūros gali būti silpnos ir nebegali išlaikyti savo formos, kai jos bus perkeltos į reikiamą vietą kūne. Be to, audiniai ir organai yra sudėtingi, juose yra daugybė skirtingų tipų ląstelių, išdėstytų labai tiksliai. Dabartinės spausdinimo technologijos negali atkartoti tokios sudėtingos architektūros.

Galiausiai, esamos technologijos taip pat apsiriboja tam tikrų rūšių medžiagomis, ribotu klampos diapazonu ir ribotu tikslumu. Kiekviena technika gali pakenkti ląstelėms ir kitoms spausdinamoms medžiagoms. Šie klausimai bus sprendžiami, kai tyrėjai toliau plėtoja biopriešą, kad išspręstų vis sunkesnes inžinerines ir medicinines problemas.

• Plakimas, pumpuojant širdies ląsteles, gautas naudojant 3D spausdintuvą, galėtų padėti širdies priepuoliu sergantiems pacientams, Sophie Scott ir Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A., ir Ozbolat, I. “Bio spausdinimo technologija: dabartinė naujausia apžvalga.” Gamybos mokslo ir inžinerijos žurnalas, 2014, t. 136, Nr. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. ir Xu, F. “4D biologinis spausdinimas biomedicinos reikmėms.” Biotechnologijų tendencijos, 2016, t. 34, Nr. 9, p. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. ir Kim, G. “3D biografija ir jos pritaikymas in vivo.” Biomedicininių medžiagų tyrimų žurnalas, 2017, tomas 106, Nr. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Mironovas, V., Bolandas, T., Truskas, T., Forgacsas, G., ir Markwald, P. “Organų spausdinimas: kompiuterinė 3D reaktyvinio audinio inžinerija.” Biotechnologijų tendencijos, 2003, t. 21, Nr. 4, p. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S., ir Atala, A. “3D audinių ir organų biografija.” Gamtos biotechnologijos, 2014, t. 32, Nr. 8, p. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. ir Yoo, J. "Bio spausdinimo technologija ir jos taikymai." Europos širdies ir krūtinės ląstos chirurgijos žurnalas, 2014, t. 46, Nr. 3, p. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W., ir Lal, P. “Naujausi kompiuterinės audinių inžinerijos pokyčiai - apžvalga.” Kompiuteriniai metodai ir programos biomedicinoje, t. 67, Nr. 2, p. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.