Z velikim napredkom v tehniki 3D biotiskanja so bile celice in tkiva ustvarjena tako, da se obnašajo v svojem naravnem okolju, da bi zgradili "prave" biološke strukture.
3D tiskanje je postopek, pri katerem se material sestavi in tako združi ali strdi pod digitalnim nadzorom računalnika, da ustvari tridimenzionalni objekt ali entiteto. Hitro izdelovanje prototipov in aditivna proizvodnja sta druga izraza, ki se uporabljata za opis te tehnike ustvarjanja kompleksnih objektov ali entitet s slojevanjem materiala in postopno gradnjo – ali preprosto 'aditivno' metodo. Ta izjemna tehnologija je prisotna že tri desetletja po uradnem odkritju leta 1987, šele pred kratkim pa je bila v središču pozornosti in priljubljenosti, saj ni le sredstvo za proizvodnjo prototipov, temveč ponuja polnopravne funkcionalne komponente. Takšen je potencial možnosti 3D tiska, da zdaj poganja velike inovacije na številnih področjih, vključno z inženiringom, proizvodnjo in medicino.
Na voljo so različne vrste aditivnih proizvodnih metod, ki sledijo istim korakom za dosego končnega končnega rezultata. V prvem ključnem koraku se načrtovanje ustvari s programsko opremo CAD (Computer-Aided-Design) na računalniku, ki se imenuje digitalni načrt. Ta programska oprema lahko napove, kako se bo končna struktura izkazala in se tudi obnašala, zato je ta prvi korak ključnega pomena za dober rezultat. Ta zasnova CAD se nato pretvori v tehnično obliko (imenovano datoteka .stl ali standardni jezik teselacije), ki je potrebna, da lahko 3D-tiskalnik razlaga navodila za načrtovanje. Nato je treba 3D-tiskalnik nastaviti (podobno kot navaden, domači ali pisarniški 2D-tiskalnik) za dejansko tiskanje – to vključuje konfiguracijo velikosti in orientacije, izbiro ležeče ali pokončne tiska, polnjenje tiskalnih kartuš s pravim prahom. . The 3D tiskalnik nato se začne postopek tiskanja, pri čemer postopoma sestavlja dizajn eno mikroskopsko plast materiala naenkrat. Ta plast je običajno debela približno 0.1 mm, čeprav jo je mogoče prilagoditi tako, da ustreza določenemu predmetu, ki se tiska. Celoten postopek je večinoma avtomatiziran in ni potreben noben fizični poseg, le občasni pregledi za zagotovitev pravilne funkcionalnosti. Dokončanje določenega predmeta traja od nekaj ur do dni, odvisno od velikosti in kompleksnosti zasnove. Poleg tega, ker gre za 'aditivno' metodologijo, je ekonomična, okolju prijazna (brez izgube) in ponuja veliko večji prostor za načrtovanje.
Naslednja stopnja: 3D biotisk
Biotiskanje je razširitev tradicionalnega 3D tiskanja z nedavnim napredkom, ki omogoča uporabo 3D tiskanja na bioloških živih materialih. Medtem ko se 3D brizgalni tisk že uporablja za razvoj in proizvodnjo naprednih medicinskih naprav in orodij, je treba razviti korak naprej za tiskanje, ogled in razumevanje bioloških molekul. Ključna razlika je v tem, da za razliko od brizgalnega tiska biotisk temelji na bio-črnilu, ki je sestavljeno iz živih celičnih struktur. Torej, pri biotiskanju, ko se vnese določen digitalni model, se specifično živo tkivo natisne in gradi plast za celično plastjo. Zaradi zelo kompleksnih celičnih komponent živega telesa 3D biotisk napreduje počasi in zapletenosti, kot so izbira materialov, celic, dejavnikov, tkiv, predstavljajo dodatne proceduralne izzive. Te zapletenosti je mogoče obravnavati s širjenjem razumevanja z integracijo tehnologij z interdisciplinarnih področij, npr. biologije, fizike in medicine.
Velik napredek pri biotiskanju
V študiji, objavljeni v Napredni funkcionalni materialiRaziskovalci so razvili tehniko 3D biotiskanja, ki uporablja celice in molekule, ki jih običajno najdemo v naravnih tkivih (njihovem domačem okolju), za ustvarjanje konstruktov ali modelov, ki spominjajo na "prave" biološke strukture. Ta posebna tehnika biotiskanja združuje "molekularno samosestavljanje" s "3D tiskanjem" za ustvarjanje kompleksnih biomolekularnih struktur. Molekularno samosestavljanje je proces, s katerim molekule same sprejmejo določeno ureditev za izvedbo določene naloge. Ta tehnika združuje "mikro- in makroskopski nadzor strukturnih značilnosti", ki jih zagotavlja "3D-tiskanje", z "molekularnim in nano-nadzorom", ki ga omogoča "molekularna samosestavljanje". Za stimulacijo celic, ki se tiskajo, uporablja moč molekularne samosestavljanja, kar je sicer omejitev pri 3D-tiskanju, ko navadno '3D tiskarsko črnilo' tega ne omogoča.
Raziskovalci so strukture 'vdelali' v 'bio črnilo', ki je podobno njihovemu izvornemu okolju v telesu, zaradi česar se strukture obnašajo tako, kot bi se v telesu. To bio-črnilo, imenovano tudi samosestavljajoče se črnilo, pomaga nadzorovati ali spreminjati kemične in fizikalne lastnosti med tiskanjem in po njem, kar nato omogoča ustrezno stimulacijo vedenja celic. Edinstven mehanizem pri uporabi bioprinting nam omogoča, da opazujemo, kako te celice delujejo v svojem okolju, s čimer dobimo posnetek in razumevanje resničnega biološkega scenarija. Poveča možnost gradnje 3D bioloških struktur s tiskanjem več vrst biomolekul, ki se lahko sestavijo v dobro definirane strukture na več lestvicah.
Prihodnost je zelo obetavna!
Raziskave biotiskanja se že uporabljajo za ustvarjanje različnih vrst tkiv in so zato lahko zelo pomembne za tkivno inženirstvo in regenerativno medicino, da se spopadejo s potrebo po tkivih in organih, primernih za presaditev – koža, kosti, presadki, srčno tkivo itd. odpira širok nabor možnosti za načrtovanje in ustvarjanje bioloških scenarijev, kot so zapletena in specifična celična okolja, ki omogočajo blaginjo tkivnega inženiringa z dejanskim ustvarjanjem predmetov ali konstrukcij – pod digitalnim nadzorom in z molekularno natančnostjo – ki spominjajo ali posnemajo tkiva v telesu. Modele živega tkiva, kosti, krvnih žil ter potencialno in celotnih organov je mogoče ustvariti za medicinske postopke, usposabljanje, testiranje, raziskave in pobude za odkrivanje zdravil. Zelo specifična generacija prilagojenih konstruktov, specifičnih za pacienta, lahko pomaga pri oblikovanju natančnih, ciljno usmerjenih in prilagojenih zdravljenj.
Ena največjih ovir za biotiskanje in 3D inkjet tiskanje na splošno je bil razvoj napredne, sofisticirane programske opreme za spopadanje z izzivom v prvem koraku tiskanja – ustvarjanje ustreznega dizajna ali načrta. Na primer, načrt neživih predmetov je mogoče ustvariti enostavno, ko pa gre za ustvarjanje digitalnih modelov, na primer jeter ali srca, je to zahtevno in ni preprosto kot večina materialnih predmetov. Biotisk ima vsekakor številne prednosti – natančen nadzor, ponovljivost in individualno oblikovanje, vendar se še vedno sooča z več izzivi – najpomembnejši je vključevanje več tipov celic v prostorsko strukturo, saj je bivalno okolje dinamično in ne statično. Ta študija je prispevala k napredku 3D biotiskanje in veliko ovir je mogoče odstraniti z upoštevanjem njihovih načel. Jasno je, da ima pravi uspeh biotiskanja več vidikov. Najpomembnejši vidik, ki lahko okrepi biotiskanje, je razvoj ustreznih in ustreznih biomaterialov, izboljšanje ločljivosti tiskanja in tudi vaskularizacija, da bi lahko uspešno klinično uporabili to tehnologijo. Zdi se, da je nemogoče 'ustvariti' popolnoma delujoče in žive organe za presaditev človeka z biotiskanjem, a kljub temu to področje hitro napreduje in v samo nekaj letih je v ospredju veliko razvoja. Večino izzivov, povezanih z biotiskanjem, bi moralo biti dosegljivo, saj so raziskovalci in biomedicinski inženirji že na poti k uspešnemu kompleksnemu biotiskanju.
Nekaj težav z Bioprintingom
Kritična točka, postavljena na področju bioprinting je, da je na tej stopnji skoraj nemogoče preizkusiti učinkovitost in varnost kakršnih koli bioloških "personaliziranih" zdravljenj, ki se ponujajo bolnikom s to tehniko. Poleg tega so stroški, povezani s takimi obdelavami, velik problem, zlasti kar zadeva proizvodnjo. Čeprav je zelo mogoče razviti funkcionalne organe, ki lahko nadomestijo človeške organe, pa tudi takrat trenutno ni zanesljivega načina za oceno, ali bo pacientovo telo sprejelo novo tkivo ali ustvarjeni umetni organ in ali bodo takšne presaditve uspešne pri vse.
Biotisk je rastoči trg in se bo osredotočil na razvoj tkiv in organov in morda bodo čez nekaj desetletij novi rezultati vidni v 3D-natisnjenih človeških organih in presaditev. 3D bioprinting bo še naprej najpomembnejši in najpomembnejši medicinski razvoj v našem življenju.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
Hedegaard CL 2018. Hidrodinamično vodena hierarhična samosestavljanje peptidno-proteinskih biočrnil. Napredni funkcionalni materiali. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
