Biojäljen ja sen sovellusten ymmärtäminen

Biopainatus, eräänlainen 3D-tulostus, käyttää soluja ja muita biologisia materiaaleja ”musteina” 3D-biologisten rakenteiden valmistukseen. Biopainetut materiaalit pystyvät korjaamaan vaurioituneet elimet, solut ja kudokset ihmiskehossa. Jatkossa biojäljennöstä voidaan käyttää rakentamaan kokonaisia ​​elimiä tyhjästä, mahdollisuus, joka voisi muuttaa biojäljen kentän.

Tutkijat ovat tutkineet monien erilaisten biojäljennöksiä solutyypit, mukaan lukien kantasolut, lihassolut ja endoteelisolut. Useat tekijät määräävät, voidaanko materiaali biojäljentää. Ensinnäkin biologisten materiaalien on oltava biologisesti yhteensopivia musteessa olevien materiaalien ja itse tulostimen kanssa. Lisäksi painetun rakenteen mekaaniset ominaisuudet sekä elimen tai kudoksen kypsymiseen kuluva aika vaikuttavat myös prosessiin.

Bioinkit jakautuvat tyypillisesti kahteen tyyppiin:

• Vesipohjaiset geelittai hydrogeelit toimivat 3D-rakenteina, joissa solut voivat menestyä. Solut sisältävät hydrogeelit tulostetaan määriteltyihin muotoihin ja
  instagram viewer
  polymeerit hydrogeelit yhdistetään toisiinsa tai "silloitetaan" siten, että painettu geeli vahvistuu. Nämä polymeerit voivat olla luonnollisesti johdettuja tai synteettisiä, mutta niiden tulisi olla yhteensopivia solujen kanssa.
• Solujen aggregaatit jotka sulautuvat itsestään kudoksiin tulostuksen jälkeen.

Biopainatusprosessilla on monia samankaltaisuuksia 3D-tulostusprosessin kanssa. Biopainatus jaetaan yleensä seuraaviin vaiheisiin:

• esikäsittely: Laaditaan 3D-malli, joka perustuu bioprosessoitavan elimen tai kudoksen digitaaliseen rekonstruointiin. Tämä rekonstruointi voidaan luoda kuvien perusteella, jotka on otettu ei-invasiivisesti (esimerkiksi MRI) tai invasiivisemman prosessin, kuten röntgensäteillä kuvattujen kaksiulotteisten viivojen sarjan avulla.
• käsittely: Kudos tai elin, joka perustuu 3D-malliin esikäsittelyvaiheessa, tulostetaan. Kuten muissakin 3D-tulostuksissa, materiaalikerrokset yhdistetään peräkkäin materiaalin tulostamiseksi.
• Jälkikäsittelyä: Tarvittavat toimenpiteet suoritetaan tulosteen muuttamiseksi toimivaksi elimeksi tai kudokseksi. Näihin toimenpiteisiin voi kuulua tulosteen sijoittaminen erityiseen kammioon, joka auttaa soluja kypsymään oikein ja nopeammin.

Kuten muissakin 3D-tulostuksissa, bioinkit voidaan tulostaa monin eri tavoin. Jokaisella menetelmällä on omat erilliset edut ja haitat.

• Mustesuihkupohjainen biopainatus toimii samalla tavalla kuin toimisto-mustesuihkutulostin. Kun malli tulostetaan mustesuihkutulostimella, muste poltetaan monien pienten suuttimien läpi paperille. Tämä luo kuvan, joka on valmistettu monista pisaroista, jotka ovat niin pieniä, että ne eivät ole silmälle näkyviä. Tutkijat ovat mukauttaneet mustesuihkutulostusta biojäljennökseen, mukaan lukien menetelmät, jotka käyttävät lämpöä tai tärinää musteen työntämiseen suuttimien läpi. Nämä bioprinsterit ovat edullisempia kuin muut tekniikat, mutta ne ovat rajoittuneet matalan viskositeetin biolinkkeihin, jotka voivat puolestaan ​​rajoittaa tyyppisiä materiaaleja, joita voidaan tulostaa.
• Laser-avusteinenbioprinting käyttää laseria solujen siirtämiseen ratkaisusta erittäin tarkalle pinnalle. Laser lämmittää osan ratkaisusta, jolloin muodostuu ilmatasku ja siirtää soluja kohti pintaa. Koska tämä tekniikka ei vaadi pieniä suuttimia, kuten mustesuihkupohjaisessa biopainatuksessa, voidaan käyttää korkeamman viskositeetin omaavia materiaaleja, jotka eivät pääse helposti virtaamaan suuttimien läpi. Laser-avusteinen biopainatus mahdollistaa myös erittäin tarkan tulostuksen. Laserista tuleva lämpö voi kuitenkin vahingoittaa tulostettavia soluja. Lisäksi tekniikkaa ei voida helposti "skaalata" rakenteiden nopeaan tulostamiseen suurina määrinä.
• Ekstruusiopohjainen biopainatus käyttää painetta materiaalin pakottamiseksi ulos suuttimesta kiinteiden muotojen luomiseksi. Tämä menetelmä on suhteellisen monipuolinen: Biomateriaalit, joilla on erilaiset viskositeetit, voidaan tulostaa paineen säätäminen, vaikkakin tulisi olla varovainen, koska korkeammat paineet todennäköisemmin vahingoittavat soluja. Ekstruusiopohjainen biopainatus voidaan todennäköisesti suurentaa valmistukseen, mutta se ei välttämättä ole yhtä tarkka kuin muut tekniikat.
• Sähkösumutus ja sähköhionta käyttämään sähkökenttiä vastaavasti pisaroiden tai kuitujen luomiseen. Nämä menetelmät voivat olla jopa nanometrin tarkkuudella. Ne käyttävät kuitenkin erittäin korkeaa jännitettä, mikä voi olla vaarallinen soluille.

Koska biopainatus mahdollistaa biologisten rakenteiden tarkan rakentamisen, tekniikalla voi olla monia käyttötapoja biolääketieteessä. Tutkijat ovat käyttäneet biojäljennöstä solujen viemiseksi auttaakseen sydämen korjaamisessa sydänkohtauksen jälkeen ja saostamaan soluja haavoittuneeseen ihoon tai rustoon. Biopainatusta on käytetty sydämen venttiilien valmistukseen mahdollista käyttöä varten sydänsairauksissa, lihaksen ja luukudoksen rakentamiseksi ja hermojen korjaamiseksi.

Vaikka on tehtävä enemmän työtä sen määrittämiseksi, kuinka nämä tulokset toimisivat kliinisessä ympäristössä, tutkimus osoittaa, että biojäljetä voidaan käyttää kudosten uudistumiseen leikkauksen aikana tai sen jälkeen vammoja. Bioprinterit voivat tulevaisuudessa mahdollistaa myös kokonaisten elinten, kuten maksa tai sydämen, valmistuksen tyhjästä ja käyttää elinsiirtoihin.

3D-tulostuksen lisäksi jotkut ryhmät ovat tutkineet myös 4D-tulostuksen, jossa otetaan huomioon ajan neljäs ulottuvuus. 4D-biopainatus perustuu ajatukseen, että painetut 3D-rakenteet voivat kehittyä ajan myötä, jopa niiden tulostamisen jälkeen. Rakenteet voivat siten muuttaa muotoaan ja / tai toimintaansa altistettaessa oikealle ärsykkeelle, kuten kuumuudelle. 4D-biotulostuksella voi olla käyttöä lääketieteellisillä alueilla, kuten verisuonten muodostamisessa hyödyntämällä sitä, kuinka jotkut biologiset rakenteet taittuvat ja rullautuvat.

Vaikka biopainatus voi auttaa pelastamaan monia ihmishenkiä tulevaisuudessa, joukko haasteita on vielä puututtava. Esimerkiksi painetut rakenteet voivat olla heikot eivätkä pysty säilyttämään muotoaan sen jälkeen kun ne on siirretty oikeaan kohtaan rungossa. Lisäksi kudokset ja elimet ovat monimutkaisia, sisältäen monia erityyppisiä soluja, jotka on järjestetty erittäin tarkasti. Nykyinen tulostustekniikka ei ehkä pysty replikoimaan tällaisia ​​monimutkaisia ​​arkkitehtuureja.

Lopuksi, olemassa olevat tekniikat ovat myös rajoitettu tietyntyyppisiin materiaaleihin, rajalliseen viskositeettialueeseen ja rajalliseen tarkkuuteen. Jokaisella tekniikalla voi olla vahinkoa soluille ja muille painettaville materiaaleille. Näitä kysymyksiä käsitellään, kun tutkijat jatkavat biojäljen kehittämistä yhä vaikeampien teknisten ja lääketieteellisten ongelmien ratkaisemiseksi.

• 3D-tulostimella tuotettujen sydänsolujen lyöminen, pumppaus voi auttaa sydänkohtauksia sairastavilla potilailla, Sophie Scott ja Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A., ja Ozbolat, I. “Biopainatustekniikka: Nykyaikainen katsaus.” Valmistustieteen ja tekniikan lehti, 2014, voi. 136, ei. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. ja Xu, F. “4D-biotulostus biolääketieteellisiin sovelluksiin.” Biotekniikan suuntaukset, 2016, voi. 34, ei. 9, s. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. ja Kim, G. “3D-biopainatus ja sen in vivo -sovellukset.” Journal of Biomedical Materials Research, 2017, voi. 106, ei. 1, doi: 10 1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G. ja Markwald, P. “Elinpainatus: tietokoneavusteinen suihkumainen 3D-kudostekniikka.” Biotekniikan suuntaukset, 2003, voi. 21, ei. 4, s. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S., ja Atala, A. “Kudosten ja elinten 3D-biojäljet.” Luontobiotekniikka, 2014, voi. 32, ei. 8, s. 773-785, doi: 10,1038 / nbt 2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. ja Yoo, J. "Biopainatustekniikka ja sen sovellukset." Eurooppalainen sydänlihaksen ja rintakehän leikkauksen lehti, 2014, voi. 46, ei. 3, s. 342-348, doi: 10,1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W., ja Lal, P. “Tietokoneavusteisen kudostekniikan viimeaikainen kehitys - katsaus.” Biolääketieteen tietokonemenetelmät ja -ohjelmat, voi. 67, ei. 2, s. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.