Izpratne par biodruku un tās pielietojumu

Biodruka, tāda veida 3D drukāšana, izmanto šūnas un citus bioloģiskos materiālus kā “tintes” 3D bioloģisko struktūru ražošanai. Biopiedrukātiem materiāliem ir potenciāls labot cilvēka ķermenī bojātos orgānus, šūnas un audus. Nākotnē biodruka var tikt izmantota, lai no jauna izveidotu veselus orgānus, kas varētu pārveidot biodrukas lauku.

Pētnieki ir pētījuši daudz dažādu biogrāfisko druku šūnu tipi, ieskaitot cilmes šūnas, muskuļu šūnas un endotēlija šūnas. Vairāki faktori nosaka, vai materiālu var biodrukāt. Pirmkārt, bioloģiskajiem materiāliem jābūt bioloģiski saderīgiem ar tinti un pašu printeri. Turklāt procesu ietekmē arī drukātās struktūras mehāniskās īpašības, kā arī laiks, kas nepieciešams, lai orgāns vai audi nobriest.

Bioinks parasti ietilpst vienā no diviem veidiem:

• Ūdens bāzes želejasvai hidrogeli darbojas kā 3D struktūras, kurās šūnas var zelt. Hidrogēli, kas satur šūnas, tiek iespiesti noteiktā formā, un polimēri hidrogēlos ir savienoti kopā vai "savstarpēji savienoti", lai iespiestais gēls kļūtu stiprāks. Šie polimēri var būt dabiski iegūti vai sintētiski, bet tiem jābūt saderīgiem ar šūnām.
  instagram viewer
• Šūnu agregāti kas pēc iespiešanas spontāni saplūst audos.

Biodrukas procesam ir daudz līdzību ar 3D drukāšanas procesu. Biodruka parasti tiek sadalīta šādos posmos:

• Iepriekšēja apstrāde: Tiek sagatavots 3D modelis, kura pamatā ir bioloģiski izdrukājamā orgāna vai audu digitālā rekonstrukcija. Šo rekonstrukciju var izveidot, pamatojoties uz attēliem, kas uzņemti neinvazīvi (piemēram, ar MR) vai izmantojot invazīvāku procesu, piemēram, divdimensiju šķēļu virkni, kas attēlota ar rentgena stariem.
• Apstrāde: Tiek izdrukāti audi vai orgāni, kuru pamatā ir 3D modelis sākotnējās apstrādes posmā. Tāpat kā citos 3D drukāšanas veidos, materiāla slāņi tiek secīgi salikti kopā, lai izdrukātu materiālu.
• Pēcapstrāde: Lai izdruku pārveidotu funkcionālā orgānā vai audā, tiek veiktas nepieciešamās procedūras. Šīs procedūras var ietvert drukas ievietošanu speciālā kamerā, kas palīdz šūnām nobriest pareizi un ātrāk.

Tāpat kā citus 3D drukāšanas veidus, arī bioinkus var izdrukāt dažādos veidos. Katrai metodei ir savas atšķirīgas priekšrocības un trūkumi.

• Tintes bāzes biodruka darbojas līdzīgi biroja tintes printerim. Kad dizains tiek izdrukāts ar tintes printeri, tinte caur daudzām niecīgām sprauslām tiek izmesta uz papīra. Tādējādi tiek izveidots attēls, kas izgatavots no daudzām tik mazām pilieniņām, kuras nav redzamas acij. Pētnieki ir pielāgojuši tintes drukāšanu biodrukāšanai, ieskaitot metodes, kurās siltumu vai vibrāciju izmanto, lai iespiestu tinti caur sprauslām. Šie bioprinteri ir lētāki nekā citi paņēmieni, bet ir ierobežoti ar zemas viskozitātes bioidentiem, kas savukārt varētu ierobežot drukājamo materiālu veidus.
• Ar lāzeru palīdzībubiodruka izmanto lāzeru, lai šūnas ar augstu precizitāti pārvietotu no šķīduma uz virsmas. Lāzers uzsilda daļu no šķīduma, izveidojot gaisa kabatu un pārvietojot šūnas uz virsmu. Tā kā šai tehnikai nav vajadzīgas mazas sprauslas, piemēram, biopiedrukā uz tintes bāzes, var izmantot materiālus ar viskozitāti, kas nevar viegli izplūst caur sprauslām. Biogrāfiska drukāšana ar lāzera palīdzību ļauj ļoti precīzi drukāt. Tomēr lāzera karstums var sabojāt drukājamās šūnas. Turklāt tehniku ​​nevar viegli "palielināt", lai ātri izdrukātu struktūras lielos apjomos.
• Ekstrūzijas bāzes biodruka izmanto spiedienu, lai piespiestu materiālu no sprauslas, lai izveidotu fiksētas formas. Šī metode ir salīdzinoši universāla: biomateriālus ar atšķirīgu viskozitāti var iespiest pielāgojot spiedienu, lai gan ir jāuzmanās, jo lielāks spiediens, iespējams, sabojā šūnas. Ekstrūzijas bāzes biodruka, visticamāk, var tikt palielināta ražošanai, taču tā var nebūt tik precīza kā citas metodes.
• Elektrosmidzināšanas un elektropulēšanas bioprinteri attiecīgi izveidojiet pilienus vai šķiedras, izmantojot elektriskos laukus. Šīm metodēm var būt precizitāte līdz nanometru līmenim. Tomēr tie izmanto ļoti augstu spriegumu, kas šūnām var būt nedrošs.

Tā kā biodruka ļauj precīzi izveidot bioloģiskās struktūras, biomedicīnā šī metode var būt daudz izmantojama. Pētnieki izmantoja bioprinti, lai ievadītu šūnas, lai palīdzētu salabot sirdi pēc sirdslēkmes, kā arī šūnas novietotu ievainotajā ādā vai skrimšļos. Bioprints ir izmantots, lai izgatavotu sirds vārstus, lai tos varētu izmantot pacientiem ar sirds slimībām, veidotu muskuļu un kaulu audus un palīdzētu atjaunot nervus.

Lai gan ir jāpieliek vairāk darba, lai noteiktu, kā šie rezultāti darbotos klīniskajā vidē, pētījumi rāda, ka biodruku var izmantot, lai palīdzētu reģenerēt audus operācijas laikā vai pēc tās ievainojums. Bioprinteri nākotnē varētu arī dot iespēju no nulles izgatavot veselus orgānus, piemēram, aknas vai sirdis, un tos izmantot orgānu transplantācijā.

Papildus 3D bioprintēšanai dažas grupas ir pārbaudījušas arī 4D bioprintēšanu, kurā tiek ņemta vērā ceturtā laika dimensija. 4D biodruka ir balstīta uz ideju, ka drukātās 3D struktūras laika gaitā var turpināt attīstīties, pat pēc to izdrukāšanas. Tādējādi struktūras var mainīt savu formu un / vai funkciju, kad tās pakļautas pareizajam stimulam, piemēram, karstumam. 4D bioprinti var izmantot biomedicīnas zonās, piemēram, veidojot asinsvadus, izmantojot priekšrocības, kā dažas bioloģiskās konstrukcijas salocās un ripo.

Lai arī biodruka nākotnē varētu palīdzēt glābt daudzas dzīvības, vēl nav jārisina vairākas problēmas. Piemēram, iespiestas struktūras var būt vājas un nespēj saglabāt savu formu pēc tam, kad tās ir pārvietotas uz atbilstošo vietu uz ķermeņa. Turklāt audi un orgāni ir sarežģīti, un tajos ir daudz dažādu šūnu, kas sakārtoti ļoti precīzi. Iespējams, ka pašreizējās drukāšanas tehnoloģijas nespēj replicēt tik sarežģītās arhitektūras.

Visbeidzot, esošās metodes ir arī ierobežotas ar dažiem materiālu veidiem, ierobežotu viskozitātes diapazonu un ierobežotu precizitāti. Katrs paņēmiens var sabojāt šūnas un citus drukājamos materiālus. Šie jautājumi tiks risināti, kad pētnieki turpina attīstīt biodruku, lai risinātu arvien sarežģītākās inženierijas un medicīnas problēmas.

• Pēršana, sirds šūnu sūknēšana, izmantojot 3D printeri, varētu palīdzēt sirdslēkmes pacientiem, Sophie Scott un Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A., un Ozbolat, I. “Biodrukas tehnoloģija: aktuāls jaunākais pārskats.” Ražošanas zinātnes un inženierzinātņu žurnāls, 2014, sēj. 136, nē. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. un Xu, F. “4D biodruka biomedicīnas vajadzībām.” Biotehnoloģijas tendences, 2016, sēj. 34, nē. 9, lpp. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Honkons, N., Jangs, G., Lī, J. un Kims, Dž. “3D biodruka un tās in vivo lietojumi.” Biomedicīnisko materiālu pētījumu žurnāls, 2017, sēj. 106, nē. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Mironovs, V., Bolands, T., Trusks, T., Forgacs, G., un Markvalds, P. “Orgānu druka: datorizēta, ar reaktīvu balstīta 3D audu inženierija.” Biotehnoloģijas tendences, 2003, sēj. 21, nē. 4, lpp. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Mērfijs, S., un Atala, A. “Audu un orgānu 3D biodruka.” Dabas biotehnoloģija, 2014, sēj. 32, Nr. 8, lpp. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seols, Y., Kangs, H., Lī, S., Atala, A. un Yoo, Dž. "Biodrukas tehnoloģija un tās pielietojumi." Eiropas sirds un krūšu kurvja ķirurģijas žurnāls, 2014, sēj. 46, nē. 3, lpp. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Suns, W. un Lāls, P. “Jaunākie sasniegumi datoru audu inženierijas jomā - pārskats.” Datormetodes un programmas biomedicīnā, sēj. 67, nē. 2, lpp. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.