A 3D bionyomtatási technika egyik jelentős előrelépése során a sejteket és szöveteket úgy hozták létre, hogy természetes környezetükhöz hasonlóan viselkedjenek, és így „valódi” biológiai struktúrákat hozzanak létre.
A 3D nyomtatás egy olyan eljárás, amelynek során egy anyagot összeadnak, és így egy számítógép digitális vezérlése alatt összeillesztenek vagy megszilárdítanak, így háromdimenziós objektumot vagy entitást hoznak létre. A gyors prototípus-készítés és az additív gyártás a többi kifejezés, amelyet az összetett objektumok vagy entitások anyagrétegezéssel és fokozatos felépítéssel – vagy egyszerűen „additív” módszerrel – történő létrehozásának technikájának leírására használnak. Ez a figyelemre méltó technológia az 1987-es hivatalos felfedezés után három évtizede létezik, de csak a közelmúltban került reflektorfénybe és népszerűségre, mivel nemcsak prototípusok előállításának eszköze, hanem teljes értékű funkcionális alkatrészeket kínál. Ilyen a lehetőségek potenciálja 3D nyomtatásban, hogy ma már számos területen, köztük a mérnöki munkában, a gyártásban és az orvostudományban jelentős innovációkat hajt végre.
Különféle típusú additív gyártási módszerek állnak rendelkezésre, amelyek ugyanazokat a lépéseket követik a végső végeredmény elérése érdekében. Az első döntő lépésben a tervezést CAD (Computer-Aided-Design) szoftverrel számítógépen készítik el – úgynevezett digitális tervrajzot. Ez a szoftver képes megjósolni, hogyan alakul a végső szerkezet, és hogyan viselkedik, ezért ez az első lépés elengedhetetlen a jó eredményhez. Ezt a CAD-tervet ezután technikai formátumba konvertálják (.stl fájlnak vagy szabványos tessellációs nyelvnek nevezik), amely szükséges ahhoz, hogy a 3D nyomtató képes legyen értelmezni a tervezési utasításokat. Ezután be kell állítani egy 3D nyomtatót (hasonlóan egy hagyományos, otthoni vagy irodai 2D nyomtatóhoz) a tényleges nyomtatáshoz – ez magában foglalja a méret és a tájolás konfigurálását, a fekvő vagy álló nyomatok választását, a nyomtatópatronok megfelelő porral való feltöltését. . A 3D nyomtató majd megkezdi a nyomtatási folyamatot, fokozatosan felépítve a tervet egy-egy mikroszkopikus réteg az anyagból. Ez a réteg általában körülbelül 0.1 mm vastag, bár testreszabható, hogy megfeleljen egy adott nyomtatandó tárgynak. A teljes eljárás többnyire automatizált, és nincs szükség fizikai beavatkozásra, csak időszakos ellenőrzésekre van szükség a megfelelő működés érdekében. Egy adott objektum elkészítése a terv méretétől és összetettségétől függően több órától napokig tart. Továbbá, mivel ez egy „additív” módszer, gazdaságos, környezetbarát (pazarlás nélkül), és sokkal nagyobb teret ad a tervezésnek.
A következő szint: 3D Bioprinting
Bioprint A hagyományos 3D nyomtatás kiterjesztése a közelmúltban elért fejlesztésekkel, amelyek lehetővé teszik a 3D nyomtatás biológiai élőanyagokon történő alkalmazását. Míg a 3D-s tintasugaras nyomtatást már használják fejlett orvosi eszközök és eszközök fejlesztésére és gyártására, a biológiai molekulák nyomtatásához, megtekintéséhez és megértéséhez még egy lépést kell fejleszteni. A döntő különbség az, hogy a tintasugaras nyomtatással ellentétben a bionyomtatás biotintán alapul, amely élő sejtstruktúrákból áll. Tehát a bionyomtatás során, amikor egy adott digitális modellt adunk meg, az adott élő szövetet kinyomtatják és rétegről sejtre építik fel. Az élő test rendkívül összetett sejtösszetevői miatt a 3D bionyomtatás lassan halad előre, és az olyan bonyolultságok, mint az anyagok, sejtek, tényezők, szövetek kiválasztása további eljárási kihívásokat jelentenek. Ezeket az összetettségeket az interdiszciplináris területek, például a biológia, a fizika és az orvostudomány technológiáinak integrálásával történő kiterjesztésével lehet kezelni.
Jelentős előrelépés a bionyomtatásban
Egy tanulmány Fejlett funkcionális anyagok, a kutatók kifejlesztettek egy 3D-s bionyomtatási technikát, amely a természetes szövetekben (a természetes környezetükben) általában megtalálható sejteket és molekulákat használ „valódi” biológiai struktúrákra emlékeztető konstrukciók vagy tervek létrehozására. Ez a különleges bionyomtatási technika a „molekuláris önszerveződést” a „3D nyomtatással” kombinálja, hogy összetett biomolekuláris struktúrákat hozzon létre. A molekuláris önszerveződés egy olyan folyamat, amelynek során a molekulák egy meghatározott elrendezést magukévá tesznek egy adott feladat elvégzése érdekében. Ez a technika integrálja a „szerkezeti jellemzők mikro- és makroszkopikus vezérlését”, amelyet a „3D nyomtatás” biztosít a „molekuláris önszerveződéssel” lehetővé tett „molekuláris és nanoméretű szabályozással”. A molekuláris önszerveződés erejét használja fel a nyomtatott sejtek stimulálására, ami egyébként a 3D nyomtatás korlátja, amikor a hagyományos „3D nyomtatótinta” nem biztosítja ezt az eszközt.
A kutatók struktúrákat „beágyaztak” „biotintába”, amely hasonló a testen belüli natív környezetükhöz, így a struktúrák úgy viselkednek, mint a testben. Ez a bio-tinta, más néven önszerveződő tinta segít szabályozni vagy módosítani a kémiai és fizikai tulajdonságokat a nyomtatás alatt és után, ami lehetővé teszi a sejtek viselkedésének megfelelő stimulálását. Az egyedülálló mechanizmus, amikor alkalmazzák bioprint lehetővé teszi számunkra, hogy megfigyeléseket tegyünk arról, hogyan működnek ezek a sejtek a környezetükben, ezáltal pillanatképet adva és megérthetjük a valós biológiai forgatókönyvet. Felveti a 3D-s biológiai struktúrák felépítésének lehetőségét többféle biomolekula nyomtatásával, amelyek több léptékben is jól meghatározott struktúrákká állnak össze.
A jövő nagyon biztató!
A bionyomtatási kutatást már alkalmazzák különböző típusú szövetek előállítására, és ezért nagyon fontosak lehetnek a szövetmérnöki és regeneratív gyógyászat számára, hogy kielégítsék az átültetésre alkalmas szövetek és szervek – bőr, csont, graftok, szívszövet stb. – iránti igényt. Lehetőségek széles skáláját nyitja meg biológiai forgatókönyvek, például összetett és specifikus sejtkörnyezetek tervezésére és létrehozására, hogy lehetővé tegye a szöveti tervezés virágzását azáltal, hogy – digitális vezérléssel és molekuláris pontossággal – olyan tárgyakat vagy konstrukciókat hoznak létre, amelyek hasonlítanak vagy utánozzák a test szöveteit. Élő szövetek, csontok, erek és potenciálisan egész szervek modelljei létrehozhatók orvosi eljárásokhoz, képzéshez, teszteléshez, kutatáshoz és gyógyszerkutatási kezdeményezésekhez. A személyre szabott, betegspecifikus konstrukciók nagyon specifikus generációja segíthet a pontos, célzott és személyre szabott kezelések megtervezésében.
A bionyomtatás és általában a 3D tintasugaras nyomtatás egyik legnagyobb akadálya egy olyan fejlett, kifinomult szoftver kifejlesztése volt, amely már a nyomtatás első lépésében megfelel a kihívásnak – megfelelő terv vagy terv elkészítése. Például az élettelen tárgyak tervrajza könnyen elkészíthető, de ha mondjuk egy máj vagy szív digitális modelljéről van szó, akkor ez kihívást jelent, és nem olyan egyszerű, mint a legtöbb anyagi tárgy. A bionyomtatásnak kétségtelenül számos előnye van – pontos vezérlés, megismételhetőség és egyedi tervezés, de még mindig számos kihívással sújtja – a legfontosabb az, hogy több sejttípust is beépítenek egy térszerkezetbe, mivel a lakókörnyezet dinamikus és nem statikus. Ez a tanulmány hozzájárult a 3D bionyomtatás fejlődéséhez, és számos akadály hárítható el az elvek betartásával. Nyilvánvaló, hogy a bionyomtatás valódi sikeréhez több oldal is kapcsolódik. A bionyomtatást elősegítő legfontosabb szempont a releváns és megfelelő bioanyagok kifejlesztése, a nyomtatás felbontásának fokozása, valamint az érrendszeresítés, hogy sikeresen alkalmazhassuk ezt a technológiát. Úgy tűnik, hogy teljesen működőképes és életképes szerveket "létrehozni" bionyomtatással emberi transzplantációhoz lehetetlennek tűnik, de ennek ellenére ez a terület gyorsan fejlődik, és néhány év alatt rengeteg fejlesztés áll az élen. Elérhetőnek kell lennie a bionyomtatással járó kihívások többségének leküzdésére, mivel a kutatók és az orvosbiológiai mérnökök már a sikeres komplex bionyomtatás útján járnak.
Néhány probléma a bionyomtatással
A bioprinting területén felvetett kritikus pont az, hogy ebben a szakaszban szinte lehetetlen tesztelni az ezzel a technikával a betegeknek kínált biológiai „személyre szabott” kezelések hatékonyságát és biztonságosságát. Ezenkívül az ilyen kezelésekkel kapcsolatos költségek nagy problémát jelentenek, különösen a gyártást illetően. Bár nagyon is lehet olyan funkcionális szerveket kifejleszteni, amelyek helyettesíthetik az emberi szerveket, de jelenleg még így sem lehet bolond módon felmérni, hogy a páciens szervezete befogadja-e az új szövetet vagy a keletkezett mesterséges szervet, és sikeresek lesznek-e az ilyen transzplantációk. minden.
A bionyomtatás növekvő piac, és a szövetek és szervek fejlesztésére fog összpontosítani, és talán néhány évtizeden belül új eredményeket láthatunk majd a 3D nyomtatott emberi szervek és transzplantációk terén. 3D bioprint továbbra is életünk legfontosabb és legfontosabb orvosi fejlesztése lesz.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
Hedegaard CL 2018. Peptid-protein biotinták hidrodinamikailag irányított hierarchikus önszerelése. Fejlett funkcionális anyagok. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
