В результаті значного прогресу в техніці 3D біодруку клітини і тканини були створені так, щоб вони вели себе в природному середовищі, щоб побудувати «справжні» біологічні структури.
3D-друк — це процедура, під час якої матеріал додається разом і таким чином з’єднується або затверджується під цифровим керуванням комп’ютера для створення тривимірного об’єкта або сутності. Швидке створення прототипів та адитивне виробництво – це інші терміни, які використовуються для опису цієї техніки створення складних об’єктів або сутностей шляхом накладання шарів матеріалу та поступового нарощування – або просто «адитивного» методу. Ця чудова технологія існувала протягом трьох десятиліть після того, як була офіційно відкрита в 1987 році, лише нещодавно вона стала популярною як засіб виробництва прототипів, а й пропонуючи повноцінні функціональні компоненти. Такий потенціал можливостей 3D друкарні, що зараз він стимулює великі інновації в багатьох областях, включаючи машинобудування, виробництво та медицину.
Доступні різні типи адитивних методів виробництва, які виконують ті самі кроки для досягнення кінцевого результату. На першому важливому етапі проект створюється за допомогою програмного забезпечення CAD (Computer-Aided-Design) на комп’ютері, яке називається цифровим кресленням. Це програмне забезпечення може передбачити, як вийде остаточна структура, а також вести себе, тому цей перший крок є життєво важливим для хорошого результату. Цей проект САПР потім перетворюється в технічний формат (званий файлом .stl або стандартною мовою теселяції), який потрібен для того, щоб 3D-принтер міг інтерпретувати інструкції проектування. Далі потрібно налаштувати 3D-принтер (подібно до звичайного, домашнього чи офісного 2D-принтера) для фактичного друку – це включає налаштування розміру та орієнтації, вибір альбомної або портретної відбитків, заповнення картриджів принтера правильним порошком. . The 3D принтер потім починається процес друку, поступово створюючи дизайн по одному мікроскопічному шару матеріалу. Цей шар зазвичай має товщину близько 0.1 мм, хоча його можна налаштувати відповідно до конкретного об’єкта, який друкується. Вся процедура здебільшого автоматизована і не вимагає ніякого фізичного втручання, лише періодичні перевірки для забезпечення правильної функціональності. На виконання конкретного об’єкта потрібно від кількох годин до днів, залежно від розміру та складності конструкції. Крім того, оскільки це «аддитивна» методологія, вона є економічною, екологічною (без відходів), а також забезпечує набагато більший простір для проектів.
Наступний рівень: 3D біодрук
Біодрук є розширенням традиційного 3D-друку з останніми досягненнями, що дозволяють застосовувати 3D-друк до біологічних живих матеріалів. У той час як 3D струменевий друк уже використовується для розробки та виробництва передових медичних пристроїв та інструментів, необхідно розробити ще один крок для друку, перегляду та розуміння біологічних молекул. Основна відмінність полягає в тому, що на відміну від струминного друку, біодрук заснований на біочорнилах, які складаються з живих клітинних структур. Таким чином, при біодрукі, коли вводиться конкретна цифрова модель, конкретна жива тканина друкується і нарощується шар за клітинним шаром. Через дуже складні клітинні компоненти живого тіла 3D-біодрук розвивається повільно, і складнощі, такі як вибір матеріалів, клітин, факторів, тканин, створюють додаткові процедурні проблеми. Ці складності можна вирішити шляхом розширення розуміння шляхом інтеграції технологій з міждисциплінарних галузей, наприклад біології, фізики та медицини.
Великий прогрес у біодрукі
У дослідженні, опублікованому в Розширені функціональні матеріали, дослідники розробили техніку 3D біодруку, яка використовує клітини та молекули, які зазвичай знаходяться в природних тканинах (їх рідному середовищі), для створення конструкцій або конструкцій, які нагадують «справжні» біологічні структури. Ця конкретна техніка біодруку поєднує «молекулярну самозбірку» з «3D-друком» для створення складних біомолекулярних структур. Молекулярна самозбірка — це процес, за допомогою якого молекули самостійно приймають певну структуру для виконання певного завдання. Ця техніка об’єднує «мікро- та макроскопічний контроль структурних особливостей», які надає «3D-друк», із «молекулярним і наномасштабним керуванням», що забезпечується «молекулярним самозбіркою». Він використовує силу молекулярної самозбірки, щоб стимулювати клітини, які друкуються, що в іншому випадку є обмеженням для 3D-друку, коли звичайні «чорнила для 3D-друку» не надають цього засобу.
Дослідники «вбудували» структури в «біочорнило», яке схоже на їх рідне середовище всередині тіла, завдяки чому структури поводилися б так само, як і в тілі. Ці біочорнила, які також називаються самозбірними чорнилами, допомагають контролювати або змінювати хімічні та фізичні властивості під час і після друку, що потім дозволяє відповідним чином стимулювати поведінку клітин. Унікальний механізм при застосуванні до біодрук дозволяє нам робити спостереження за тим, як ці клітини працюють у своєму середовищі, тим самим даючи нам знімок і розуміння реального біологічного сценарію. Це підвищує можливість створення тривимірних біологічних структур шляхом друку кількох типів біомолекул, здатних збиратися в чітко визначені структури в різних масштабах.
Майбутнє дуже обнадійливо!
Дослідження біодруку вже використовуються для створення різних типів тканин і, таким чином, можуть бути дуже важливими для тканинної інженерії та регенеративної медицини для вирішення потреби в тканинах і органах, придатних для трансплантації – шкіри, кісток, трансплантатів, серцевої тканини тощо. відкриває широкий спектр можливостей для проектування та створення біологічних сценаріїв, таких як складні та специфічні клітинні середовища, щоб забезпечити процвітання тканинної інженерії шляхом фактичного створення об'єктів або конструкцій - під цифровим контролем і з молекулярною точністю - які нагадують або імітують тканини в організмі. Моделі живої тканини, кістки, кровоносних судин і, можливо, цілих органів можна створювати для медичних процедур, навчання, тестування, досліджень та відкриття ліків. Дуже конкретне покоління індивідуальних конструкцій для конкретного пацієнта може допомогти у розробці точних, цілеспрямованих та персоналізованих методів лікування.
Однією з найбільших перешкод для біодруку та 3D струменевого друку загалом була розробка передового, складного програмного забезпечення для вирішення проблеми на першому етапі друку – створення відповідного дизайну або креслення. Наприклад, креслення неживих об’єктів можна легко створити, але коли справа доходить до створення цифрових моделей, скажімо, печінки чи серця, це складно і не так просто, як більшість матеріальних об’єктів. Біодрук, безумовно, має безліч переваг – точний контроль, повторюваність та індивідуальний дизайн, але все ще стикається з кількома проблемами – найважливішою з яких є включення кількох типів клітин у просторову структуру, оскільки середовище проживання є динамічним, а не статичним. Це дослідження сприяло розвитку 3D-біодруку, і багато перешкод можна усунути, дотримуючись їх принципів. Зрозуміло, що справжній успіх біодруку має кілька аспектів. Найважливішим аспектом, який може розширити можливості біодруку, є розробка відповідних і відповідних біоматеріалів, підвищення роздільної здатності друку, а також васкуляризація, щоб мати можливість успішно застосовувати цю технологію в клінічній практиці. Здається неможливим «створити» повністю функціонуючі та життєздатні органи для трансплантації людини за допомогою біодруку, але, тим не менш, ця галузь швидко прогресує, і багато розробок зараз на передньому плані всього за кілька років. Це має бути досяжним, щоб подолати більшість проблем, пов’язаних із біодруком, оскільки дослідники та інженери-біомедицини вже на шляху до успішного комплексного біодруку.
Деякі проблеми з біодруком
Критичний момент, піднятий у сфері біодруку, полягає в тому, що на цьому етапі практично неможливо перевірити ефективність і безпеку будь-яких біологічних «персоналізованих» методів лікування, які пропонуються пацієнтам за допомогою цієї техніки. Крім того, витрати, пов’язані з такими обробками, є великою проблемою, особливо коли йдеться про виробництво. Хоча дуже можливо розробити функціональні органи, які можуть замінити людські органи, але навіть тоді, наразі немає безглуздого способу оцінити, чи прийме організм пацієнта нову тканину або створений штучний орган і чи будуть такі трансплантації успішними. всі.
Ринок біодруку – це зростаючий ринок, і він буде зосереджений на розвитку тканин і органів, і, можливо, через кілька десятиліть нові результати можна буде побачити в 3D-друкованих органах і трансплантаціях людини. 3D біодрук і надалі залишатиметься найважливішим і актуальним медичним розвитком нашого життя.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
Hedegaard CL 2018. Гідродинамічно керована ієрархічна самозбірка пептидно-білкових біочорнил. Розширені функціональні матеріали. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
