Pochopení bioprintingu a jeho aplikací

Bioprinting, typ 3D tisk, používá buňky a další biologické materiály jako „inkousty“ k výrobě 3D biologických struktur. Biotištěné materiály mají potenciál opravit poškozené orgány, buňky a tkáně v lidském těle. V budoucnu může být bioprinting použit k sestavení celých orgánů od nuly, což je možnost, která by mohla transformovat pole bioprintingu.

Vědci studovali bioprinting mnoha různých typy buněk, včetně kmenových buněk, svalových buněk a endoteliálních buněk. O tom, zda může být materiál biologicky potištěn, rozhoduje několik faktorů. Za prvé, biologické materiály musí být biokompatibilní s materiály v inkoustu a samotné tiskárně. Kromě toho proces ovlivňují také mechanické vlastnosti tištěné struktury, jakož i doba potřebná k dozrání orgánu nebo tkáně.

Bioinky obvykle spadají do jednoho ze dvou typů:

• Gely na vodní bázinebo hydrogely, fungují jako 3D struktury, ve kterých mohou buňky prosperovat. Hydrogely obsahující buňky jsou vytištěny do definovaných tvarů a
  instagram viewer
  polymery v hydrogelech jsou spojeny nebo "zesítěny", takže potištěný gel zesiluje. Tyto polymery mohou být přirozeně odvozeny nebo syntetické, ale měly by být kompatibilní s buňkami.
• Agregáty buněk které se spontánně spojí do tkání po tisku.

Proces bioprintingu má mnoho podobností s procesem 3D tisku. Bioprinting je obecně rozdělen do následujících kroků:

• Předběžné zpracování: Připraví se 3D model založený na digitální rekonstrukci orgánu nebo tkáně, která má být biotištěna. Tato rekonstrukce může být vytvořena na základě obrázků pořízených neinvazivně (např. Pomocí MRI) nebo invazivnějším procesem, například řadou dvourozměrných řezů zobrazených rentgenem.
• zpracovává se: Vytiskne se tkáň nebo orgán na základě 3D modelu ve fázi předzpracování. Stejně jako u jiných typů 3D tisku se vrstvy materiálu postupně sčítají, aby se materiál mohl vytisknout.
• Následné zpracování: Jsou prováděny nezbytné postupy pro transformaci tisku na funkční orgán nebo tkáň. Tyto postupy mohou zahrnovat umístění tisku do speciální komory, která pomáhá buňkám dozrávat správně a rychleji.

Stejně jako u jiných typů 3D tisku lze i bioinky tisknout několika různými způsoby. Každá metoda má své zřetelné výhody a nevýhody.

• Inkoustové bioprinting funguje podobně jako kancelářská inkoustová tiskárna. Když je návrh potištěn inkoustovou tiskárnou, je inkoust vypálen přes mnoho malých trysek na papír. Tím se vytvoří obrázek vytvořený z mnoha kapiček, které jsou tak malé, že nejsou pro oko viditelné. Vědci upravili inkoustový tisk pro bioprinting, včetně metod, které využívají teplo nebo vibrace k vytlačení inkoustu tryskami. Tyto bioprintery jsou cenově dostupnější než jiné techniky, ale jsou omezeny na bioinky s nízkou viskozitou, což by mohlo zase omezit typy materiálů, které lze tisknout.
• Laserem podporovanébioprinting používá laser k přesunu buněk z roztoku na povrch s vysokou přesností. Laser zahřívá část řešení, vytváří vzduchovou kapsu a přemísťuje buňky směrem k povrchu. Protože tato technika nevyžaduje malé trysky, jako je tomu u bioprintingu na bázi inkoustových tiskáren, lze použít materiály s vyšší viskozitou, které nemohou tryskami snadno proudit. Laserový bioprinting také umožňuje velmi vysokou přesnost tisku. Teplo z laseru však může poškodit tisknuté buňky. Techniku ​​navíc nelze snadno rozšířit, aby se rychle tiskly struktury ve velkém množství.
• Vytlačovací bioprinting používá tlak k vytlačení materiálu z trysky k vytvoření pevných tvarů. Tato metoda je poměrně univerzální: biomateriály s různými viskozitami mohou být potištěny nastavení tlaku, i když by se mělo postupovat opatrně, protože vyšší tlaky s větší pravděpodobností poškodí buňky. Bioprinting na bázi extruze může být pro výrobu pravděpodobně rozšířen, ale nemusí být tak přesný jako jiné techniky.
• Elektrospray a elektrospinningové bioprintery využívají elektrické pole k vytváření kapiček nebo vláken. Tyto metody mohou mít přesnost na úrovni nanometrů. Využívají však velmi vysoké napětí, což může být pro buňky nebezpečné.

Protože bioprinting umožňuje přesnou konstrukci biologických struktur, může technika najít v biomedicíně mnoho využití. Vědci použili bioprinting k zavedení buněk, které pomáhají opravit srdce po infarktu, a také k ukládání buněk do poraněné kůže nebo chrupavky. Bioprinting se používá k výrobě srdečních chlopní pro možné použití u pacientů se srdečními chorobami, budování svalových a kostních tkání a pomáhá při opravě nervů.

Ačkoliv je třeba udělat více práce, aby bylo možné určit, jak by se tyto výsledky daly provést v klinickém prostředí, výzkum ukazuje, že bioprinting by mohl být použit k regeneraci tkání během chirurgického zákroku nebo po něm zranění. Bioprinters by mohl v budoucnu také umožnit, aby byly celé orgány, jako jsou játra nebo srdce, vyrobeny od nuly a použity v transplantacích orgánů.

Kromě 3D bioprintingu některé skupiny také zkoumaly 4D bioprinting, který bere v úvahu čtvrtou dimenzi času. Biotisk 4D je založen na myšlence, že tištěné 3D struktury se mohou v průběhu času vyvíjet, dokonce i poté, co byly vytištěny. Struktury tak mohou změnit svůj tvar a / nebo funkci, jsou-li vystaveny správnému stimulu, jako je teplo. Bioprinting 4D může najít uplatnění v biomedicínských oblastech, jako je vytváření krevních cév tím, že se využije toho, jak se některé biologické konstrukty skládají a válí.

Přestože by bioprinting mohl v budoucnu zachránit mnoho životů, je třeba ještě vyřešit řadu problémů. Například tištěné struktury mohou být slabé a nemohou si udržet svůj tvar poté, co jsou přeneseny na vhodné místo na těle. Kromě toho jsou tkáně a orgány složité a obsahují mnoho různých typů buněk uspořádaných velmi přesně. Současné tiskové technologie nemusí být schopny replikovat takové složité architektury.

Konečně, stávající techniky jsou také omezeny na určité typy materiálů, omezený rozsah viskozit a omezenou přesnost. Každá technika má potenciál způsobit poškození buněk a dalších potištěných materiálů. Těmito otázkami se bude zabývat, protože výzkumní pracovníci nadále vyvíjejí bioprinting pro řešení stále obtížnějších technických a lékařských problémů.

• Bití, pumpování srdečních buněk generovaných pomocí 3D tiskárny by mohlo pacientům s infarktem pomoci, Sophie Scott a Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A. a Ozbolat, I. “Bioprinting technology: Současná nejmodernější recenze.” Žurnál výrobní vědy a techniky, 2014, sv. 136, ne. 6, doi: 10,115 / 1,4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. a Xu, F. “4D bioprinting pro biomedicínské aplikace.” Trendy v biotechnologii, 2016, sv. 34, ne. 9, str. 746-756, doi: 10,016 / j.tibtech.2016.03,004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. a Kim, G. “3D bioprinting a jeho aplikace in vivo.” Žurnál výzkumu biomedicínských materiálů, 2017, sv. 106, ne. 1, doi: 10,1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G., a Markwald, P. “Varianty tisku: počítačem podporované tryskové 3D tkáňové inženýrství.” Trendy v biotechnologii, 2003, sv. 21, ne. 4, str. 157-161, doi: 10,016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S. a Atala, A. “3D biotisk tkání a orgánů.” Přírodní biotechnologie, 2014, sv. 32, ne. 8, str. 773-785, doi: 10,1038 / nbt 2995.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. a Yoo, J. "Bioprintingová technologie a její aplikace." Evropský žurnál kardio-hrudní chirurgie, 2014, sv. 46, ne. 3, str. 342-348, doi: 10,1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W., a Lal, P. “Nejnovější vývoj v oblasti tkáňového inženýrství podporovaného počítačem - přehled.” Počítačové metody a programy v biomedicíně, sv. 67, ne. 2, str. 85-103, doi: 10,016 / S0169-2607 (01) 00116-X.