Într-un progres major în tehnica de bioprintare 3D, celulele și țesuturile au fost create pentru a se comporta ca în mediul lor natural, astfel încât să construiască structuri biologice „reale”
Imprimarea 3D este o procedură în care un material este adăugat împreună și astfel îmbinat sau solidificat sub controlul digital al unui computer pentru a crea un obiect sau o entitate tridimensională. Prototiparea rapidă și fabricarea aditivă sunt ceilalți termeni folosiți pentru a descrie această tehnică de creare a obiectelor sau entităților complexe prin stratificarea materialului și construirea treptată – sau pur și simplu o metodă „aditivă”. Această tehnologie remarcabilă există timp de trei decenii după ce a fost descoperită oficial în 1987, doar recent a fost pusă în lumina reflectoarelor și a popularității ca fiind nu doar un mijloc de a produce prototipuri, ci mai degrabă oferind componente funcționale cu drepturi depline. Acesta este potențialul posibilităților de 3D imprimând că acum conduce inovații majore în multe domenii, inclusiv inginerie, producție și medicină.
Sunt disponibile diferite tipuri de metode de fabricație aditivă care urmează aceiași pași pentru a obține rezultatul final. În primul pas crucial, designul este creat folosind software-ul CAD (Computer-Aided-Design) pe computer – numit plan digital. Acest software poate prezice cum va fi structura finală și, de asemenea, se va comporta, astfel că acest prim pas este vital pentru un rezultat bun. Acest design CAD este apoi convertit într-un format tehnic (numit fișier .stl sau limbaj de teselare standard) care este necesar pentru ca imprimanta 3D să poată interpreta instrucțiunile de proiectare. În continuare, imprimanta 3D trebuie configurată (similar cu o imprimantă 2D obișnuită, de acasă sau de la birou) pentru imprimarea propriu-zisă - aceasta include configurarea dimensiunii și orientării, optând pentru printuri peisaj sau portret, umplerea cartușelor imprimantei cu pulberea potrivită. . The 3D imprimanta apoi începe procesul de imprimare, construind treptat designul câte un strat microscopic de material la un moment dat. Acest strat are de obicei o grosime de aproximativ 0.1 mm, deși poate fi personalizat pentru a se potrivi unui anumit obiect care este imprimat. Întreaga procedură este în mare parte automatizată și nu este necesară nicio intervenție fizică, ci doar verificări periodice pentru a asigura funcționalitatea corectă. Un anumit obiect durează câteva ore până la zile pentru a fi finalizat, în funcție de dimensiunea și complexitatea designului. În plus, deoarece este o metodologie „aditivă”, este economică, ecologică (fără pierderi) și oferă, de asemenea, un spațiu mult mai mare pentru design.
Următorul nivel: 3D Bioprinting
Bioprintare este o extensie a tipăririi 3D tradiționale, cu progresele recente care permit aplicarea tipăririi 3D la materialele vii biologice. În timp ce imprimarea cu jet de cerneală 3D este deja utilizată pentru a dezvolta și fabrica dispozitive și instrumente medicale avansate, trebuie dezvoltat un pas suplimentar pentru a imprima, vizualiza și înțelege moleculele biologice. Diferența crucială este că, spre deosebire de imprimarea cu jet de cerneală, bioimprimarea se bazează pe bio-cerneală, care este compusă din structuri celulare vii. Deci, în bioprinting, atunci când este introdus un anumit model digital, țesutul viu specific este imprimat și construit strat cu strat celular. Datorită componentelor celulare extrem de complexe ale corpului viu, bioimprimarea 3D progresează lent și complexități precum alegerea materialelor, celulelor, factorilor, țesuturilor ridică provocări procedurale suplimentare. Aceste complexități pot fi abordate prin extinderea înțelegerii prin integrarea tehnologiilor din domenii interdisciplinare, de exemplu, biologie, fizică și medicină.
Progres major în bioprinting
Intr-un studiu publicat in Materiale funcționale avansate, cercetătorii au dezvoltat o tehnică de bioprintare 3D care utilizează celule și molecule care se găsesc în mod normal în țesuturile naturale (mediul lor nativ) pentru a crea construcții sau modele care seamănă cu structurile biologice „reale”. Această tehnică specială de bioprintare combină „auto-asamblarea moleculară” cu „imprimarea 3D” pentru a crea structuri biomoleculare complexe. Auto-asamblarea moleculară este un proces prin care moleculele adoptă singure un aranjament definit pentru a îndeplini o anumită sarcină. Această tehnică integrează „controlul micro și macroscopic al caracteristicilor structurale” pe care „imprimarea 3D” le oferă cu „controlul molecular și la scară nanometrică” activat de „auto-asamblarea moleculară”. Utilizează puterea auto-asamblarii moleculare pentru a stimula celulele care sunt imprimate, ceea ce este altfel o limitare în imprimarea 3D atunci când „cerneala de imprimare 3D” obișnuită nu oferă acest mijloc pentru aceasta.
Cercetătorii au „încorporat” structuri în „cerneală bio”, care este similară cu mediul lor nativ din interiorul corpului, făcând ca structurile să se comporte așa cum ar fi în corp. Această cerneală bio, numită și cerneală cu auto-asamblare ajută la controlul sau modularea proprietăților chimice și fizice în timpul și după imprimare, ceea ce permite apoi stimularea comportamentului celular în consecință. Mecanismul unic atunci când este aplicat bioimprimare ne permite să facem observații asupra modului în care aceste celule funcționează în mediul lor, oferindu-ne astfel un instantaneu și înțelegerea scenariului biologic real. Crește posibilitatea de a construi structuri biologice 3D prin imprimarea mai multor tipuri de biomolecule capabile să se asambla în structuri bine definite la mai multe scale.
Viitorul este foarte plin de speranță!
Cercetarea bioprinting este deja folosită pentru a genera diferite tipuri de țesut și, prin urmare, poate fi foarte importantă pentru ingineria țesuturilor și medicina regenerativă pentru a răspunde nevoii de țesuturi și organe potrivite pentru transplant - piele, oase, grefe, țesut cardiac etc. În plus, tehnica deschide o gamă largă de posibilități de a proiecta și crea scenarii biologice, cum ar fi medii celulare complexe și specifice, pentru a permite prosperitatea ingineriei tisulare prin crearea de fapt de obiecte sau construcții - sub control digital și cu precizie moleculară - care seamănă sau imită țesuturile din organism. Modelele de țesut viu, oase, vase de sânge și, potențial și organe întregi, sunt posibile pentru proceduri medicale, instruire, testare, cercetare și inițiative de descoperire a medicamentelor. O generație foarte specifică de constructe personalizate specifice pacientului poate ajuta la proiectarea de tratamente precise, direcționate și personalizate.
Unul dintre cele mai mari obstacole pentru bioprinting și imprimarea cu jet de cerneală 3D în general a fost dezvoltarea unui software avansat și sofisticat pentru a face față provocării la primul pas al tipăririi - crearea unui design sau model adecvat. De exemplu, modelul obiectelor nevii poate fi creat cu ușurință, dar atunci când vine vorba de crearea unor modele digitale, de exemplu, un ficat sau o inimă, este provocator și nu simplu, ca majoritatea obiectelor materiale. Bioprinting are cu siguranță o multitudine de avantaje - control precis, repetabilitate și design individual, dar este încă afectată de mai multe provocări - cea mai importantă fiind includerea mai multor tipuri de celule într-o structură spațială, deoarece un mediu de viață este dinamic și nu static. Acest studiu a contribuit la progresul bioimprimarii 3D și multe obstacole pot fi îndepărtate urmând principiile acestora. Este clar că adevăratul succes al bioprinting-ului are mai multe fațete atașate. Cel mai important aspect care poate împuternici bioprintarea este dezvoltarea de biomateriale relevante și adecvate, îmbunătățirea rezoluției imprimării și, de asemenea, vascularizarea pentru a putea aplica cu succes această tehnologie clinic. Pare imposibil să „creezi” organe pe deplin funcționale și viabile pentru transplantul uman prin bioprintare, dar, cu toate acestea, acest domeniu progresează rapid și o mulțime de dezvoltări sunt în prim-plan acum în doar câțiva ani. Ar trebui să fie realizabil să depășim majoritatea provocărilor legate de bioprinting, deoarece cercetătorii și inginerii biomedicali sunt deja pe calea către bioprinting complex de succes.
Unele probleme cu Bioprinting
Un punct critic ridicat în domeniul bioprintingului este că este aproape imposibil în această etapă să se testeze eficacitatea și siguranța oricăror tratamente biologice „personalizate” oferite pacienților care utilizează această tehnică. De asemenea, costurile asociate cu astfel de tratamente reprezintă o problemă mare, mai ales în ceea ce privește producția. Deși este foarte posibil să se dezvolte organe funcționale care pot înlocui organele umane, dar chiar și atunci, în prezent, nu există o modalitate de a evalua dacă corpul pacientului va accepta țesut nou sau organul artificial generat și dacă astfel de transplanturi vor avea succes la toate.
Bioprinting-ul este o piață în creștere și se va concentra pe dezvoltarea țesuturilor și a organelor și poate că în câteva decenii vor fi observate noi rezultate în organele și transplanturile umane imprimate 3D. 3D bioimprimare va continua să fie cea mai importantă și relevantă dezvoltare medicală a vieții noastre.
***
{Puteți citi lucrarea originală de cercetare făcând clic pe linkul DOI de mai jos în lista surselor citate}
Sursa (s)
Hedegaard CL 2018. Auto-asamblare ierarhică ghidată hidrodinamic a biocernelurilor peptide-proteine. Materiale funcționale avansate. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
