W ramach znacznego postępu w technice biodrukowania 3D komórki i tkanki zostały stworzone tak, aby zachowywały się jak w swoim naturalnym środowisku, tworząc „prawdziwe” struktury biologiczne
Druk 3D to procedura, w której materiał jest dodawany do siebie, a tym samym łączony lub zestalany pod cyfrową kontrolą komputera w celu stworzenia trójwymiarowego obiektu lub całości. Rapid Prototyping i Additive Manufacturing to inne terminy używane do opisania tej techniki tworzenia złożonych obiektów lub jednostek poprzez nakładanie warstw materiału i stopniowe budowanie – lub po prostu metodę „addytywną”. Ta niezwykła technologia istnieje już od trzech dekad po jej oficjalnym odkryciu w 1987 r., dopiero niedawno znalazła się w centrum uwagi i popularności jako nie tylko środek do produkcji prototypów, ale raczej oferująca w pełni funkcjonalne komponenty. Taki jest potencjał możliwości 3D drukuje, że obecnie jest motorem znaczących innowacji w wielu dziedzinach, w tym inżynierii, produkcji i medycynie.
Dostępne są różne rodzaje metod wytwarzania przyrostowego, które przebiegają według tych samych kroków, aby osiągnąć końcowy efekt. W pierwszym kluczowym kroku projekt jest tworzony za pomocą oprogramowania CAD (Computer-Aided-Design) na komputerze – zwanego cyfrowym planem. To oprogramowanie może przewidzieć, jak będzie wyglądać i zachowywać się ostateczna struktura, dlatego ten pierwszy krok jest niezbędny do uzyskania dobrego wyniku. Ten projekt CAD jest następnie konwertowany do formatu technicznego (nazywanego plikiem .stl lub standardowym językiem teselacji), który jest wymagany, aby drukarka 3D mogła interpretować instrukcje projektowe. Następnie należy skonfigurować drukarkę 3D (podobnie jak zwykłą, domową lub biurową drukarkę 2D) do rzeczywistego drukowania – obejmuje to konfigurację rozmiaru i orientacji, wybór wydruków poziomych lub pionowych, napełnianie wkładów drukarki odpowiednim proszkiem . ten drukarka 3D następnie rozpoczyna się proces drukowania, stopniowo budując projekt po jednej mikroskopijnej warstwie materiału na raz. Ta warstwa ma zwykle grubość około 0.1 mm, chociaż można ją dostosować do konkretnego drukowanego obiektu. Cała procedura jest w większości zautomatyzowana i nie jest wymagana fizyczna interwencja, a jedynie okresowe kontrole w celu zapewnienia prawidłowego działania. Wykonanie konkretnego obiektu zajmuje od kilku godzin do dni, w zależności od wielkości i złożoności projektu. Co więcej, ponieważ jest to metodologia „dodatkowa”, jest ekonomiczna, przyjazna dla środowiska (bez strat), a także zapewnia znacznie większe możliwości projektowania.
Następny poziom: Biodruk 3D
Biodrukowanie jest rozszerzeniem tradycyjnego druku 3D z najnowszymi osiągnięciami umożliwiającymi zastosowanie druku 3D do biologicznych żywych materiałów. Podczas gdy druk atramentowy 3D jest już wykorzystywany do opracowywania i produkcji zaawansowanych urządzeń i narzędzi medycznych, należy opracować kolejny krok, aby drukować, przeglądać i rozumieć molekuły biologiczne. Zasadnicza różnica polega na tym, że w przeciwieństwie do druku atramentowego, biodrukowanie opiera się na bio-atramencie, który składa się ze struktur żywych komórek. Tak więc w biodrukowaniu, kiedy wprowadzany jest konkretny model cyfrowy, konkretna żywa tkanka jest drukowana i budowana warstwa po komórce. Ze względu na bardzo złożone komponenty komórkowe żywego ciała, biodrukowanie 3D postępuje powoli, a zawiłości, takie jak wybór materiałów, komórek, czynników i tkanek, stanowią dodatkowe wyzwania proceduralne. Te złożoności można rozwiązać poprzez poszerzenie wiedzy poprzez integrację technologii z dziedzin interdyscyplinarnych, np. biologii, fizyki i medycyny.
Duży postęp w biodrukowaniu
W badaniu opublikowanym w Zaawansowane materiały funkcjonalne, naukowcy opracowali technikę biodrukowania 3D, która wykorzystuje komórki i molekuły normalnie występujące w naturalnych tkankach (ich rodzimym środowisku) do tworzenia konstrukcji lub projektów, które przypominają "rzeczywiste" struktury biologiczne. Ta szczególna technika biodrukowania łączy „samoporządkowanie molekularne” z „drukiem 3D”, aby tworzyć złożone struktury biomolekularne. Samoorganizacja cząsteczek to proces, w którym cząsteczki samodzielnie przyjmują określony układ w celu wykonania określonego zadania. Technika ta łączy w sobie „kontrolę mikro- i makroskopową cech strukturalnych”, którą zapewnia „druk 3D” z „kontrolą w skali molekularnej iw nanoskali”, którą umożliwia „samoorganizacja molekularna”. Wykorzystuje siłę samoorganizacji molekularnej do stymulacji drukowanych komórek, co w przeciwnym razie jest ograniczeniem w druku 3D, gdy zwykły „atrament do drukowania 3D” nie zapewnia tego.
Naukowcy „obudowali” struktury w „bio tuszu”, który jest podobny do ich naturalnego środowiska wewnątrz ciała, dzięki czemu struktury zachowują się tak, jak w ciele. Ten biotusz, zwany także tuszem samoskładającym się, pomaga kontrolować lub modulować właściwości chemiczne i fizyczne podczas drukowania i po nim, co następnie pozwala odpowiednio stymulować zachowanie komórek. Unikalny mechanizm po zastosowaniu bioprinting pozwala nam dokonywać obserwacji, jak te komórki działają w ich środowiskach, dając nam w ten sposób migawkę i zrozumienie prawdziwego scenariusza biologicznego. Zwiększa możliwości budowania biologicznych struktur 3D poprzez drukowanie wielu rodzajów biomolekuł zdolnych do łączenia się w dobrze zdefiniowane struktury w wielu skalach.
Przyszłość jest bardzo obiecująca!
Badania nad biodrukowaniem są już wykorzystywane do generowania różnych rodzajów tkanek, a zatem mogą być bardzo ważne w inżynierii tkankowej i medycynie regeneracyjnej, aby zaspokoić zapotrzebowanie na tkanki i narządy nadające się do przeszczepu – skórę, kości, przeszczepy, tkankę serca itp. Ponadto technika otwiera szeroki wachlarz możliwości projektowania i tworzenia scenariuszy biologicznych, takich jak złożone i specyficzne środowiska komórkowe, aby umożliwić pomyślność inżynierii tkankowej poprzez faktyczne tworzenie obiektów lub konstrukcji – pod kontrolą cyfrową i z molekularną precyzją – które przypominają lub naśladują tkanki w ciele. Modele żywych tkanek, kości, naczyń krwionośnych i, potencjalnie, i całych narządów, są możliwe do stworzenia na potrzeby procedur medycznych, szkoleń, testów, badań i inicjatyw odkrywania leków. Bardzo specyficzna generacja konstrukcji dostosowanych do potrzeb pacjenta może pomóc w zaprojektowaniu dokładnych, ukierunkowanych i spersonalizowanych terapii.
Jedną z największych przeszkód dla biodruku i ogólnie druku atramentowego 3D było opracowanie zaawansowanego, wyrafinowanego oprogramowania, które sprosta wyzwaniu już na pierwszym etapie druku – stworzeniu odpowiedniego projektu lub planu. Na przykład projekt obiektów nieożywionych można łatwo utworzyć, ale tworzenie cyfrowych modeli, powiedzmy, wątroby lub serca, jest wyzwaniem i nie jest proste jak w przypadku większości obiektów materialnych. Biodruk z pewnością ma wiele zalet – precyzyjną kontrolę, powtarzalność i indywidualny projekt, ale wciąż nęka go kilka wyzwań – z których najważniejszym jest włączenie wielu typów komórek w strukturę przestrzenną, ponieważ środowisko życia jest dynamiczne, a nie statyczne. Badanie to przyczyniło się do rozwoju Biodruk 3D a wiele przeszkód można usunąć, przestrzegając ich zasad. Jest oczywiste, że prawdziwy sukces biodruku ma kilka aspektów. Najważniejszym aspektem, który może wzmocnić biodruk, jest opracowanie odpowiednich i odpowiednich biomateriałów, zwiększenie rozdzielczości druku, a także unaczynienie, aby móc z powodzeniem zastosować tę technologię klinicznie. „Stworzenie” w pełni funkcjonujących i zdolnych do życia narządów do przeszczepów u ludzi za pomocą biodruku wydaje się niemożliwe, niemniej jednak dziedzina ta postępuje szybko i w ciągu zaledwie kilku lat na pierwszy plan wysuwają się liczne osiągnięcia. Pokonanie większości wyzwań związanych z biodrukiem powinno być możliwe, ponieważ badacze i inżynierowie biomedyczni są już na drodze do skutecznego złożonego biodruku.
Niektóre problemy z biodrukiem
Krytyczny punkt poruszony w dziedzinie bioprinting polega na tym, że na tym etapie prawie niemożliwe jest przetestowanie skuteczności i bezpieczeństwa jakichkolwiek „spersonalizowanych” terapii biologicznych oferowanych pacjentom stosującym tę technikę. Ponadto koszty związane z taką obróbką stanowią duży problem, zwłaszcza jeśli chodzi o produkcję. Chociaż opracowanie funkcjonalnych narządów, które mogą zastąpić narządy ludzkie, jest w dużym stopniu możliwe, ale nawet wtedy nie ma obecnie niezawodnego sposobu na ocenę, czy organizm pacjenta przyjmie nową tkankę lub wytworzony sztuczny narząd i czy takie przeszczepy przyniosą sukces. Wszystko.
Biodruk to rozwijający się rynek, który będzie koncentrował się na rozwoju tkanek i narządów, a być może za kilka dekad nowe wyniki będą widoczne w drukowanych w 3D ludzkich narządach i przeszczepy. 3D bioprinting nadal będzie najważniejszym i najistotniejszym rozwojem medycznym naszego życia.
***
Źródło (s)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamicznie sterowana hierarchiczna samoorganizacja biotuszów peptydowo-białkowych. Zaawansowane materiały funkcjonalne. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
