Обзор технологии 3D-биопечати

3D-биопечать в XXI веке. Это ошеломляющая идея — печатать человеческие ткани с помощью аддитивного производства.

Можно сказать, что это выдающийся шаг в тканевой регенеративной и тканеинженерной медицине.

За последние несколько десятилетий эта технология использовалась для создания функциональных тканевых конструкций, имитирующих ткани человека.

Таким образом, трехмерная биопечать может положить конец длительным процессам, связанным с клиническими испытаниями лекарств на животных и людях.

Кроме того, это может быть решением проблемы нехватки органов во время трансплантации органов, которая может быть неудачной из-за отторжения тканей. Этот прорыв положит конец отчаянному положению донорства органов во всем мире. Вот все, что вам нужно знать о 3D-биопечати.

Что такое 3D-биопечать?

Аддитивное производство расширило свое применение в органостроении. Процесс включает в себя построение органа или ткани слоями (тот, то другой слой). Он использует восходящий подход 3D-печати.

Послойный подход гарантирует, что вы размещаете первичные клетки, бионические и другие материалы особым образом, который имитирует типичную клеточную архитектуру.

Таким образом, процесс приводит к синтезированной ткани или органу с нормальной функциональностью и структурой сложной природной ткани.

В трехмерной биопечати вы печатаете биомолекулы и клетки на подложках, чтобы сформировать определенный узор, который скрепляет конструкцию в виде требуемой трехмерной формы. Обратите внимание, что в 3D-биопечати используются живые человеческие стволовые клетки, ткани и многое другое.

Таким образом, вы должны следовать модальностям, связанным с живыми тканями. Эти условия включают биосовместимость клеток и материалов, чувствительность клеток к вашим печатным материалам и методам, перфузию и доставку фактора роста.

Почему биопечатные ткани могут заменить животных и людей в доклинических испытаниях

Процесс биопечати автоматизирован. Таким образом, эта автоматизация обеспечивает точные структуры клеток и контролируемую внеклеточную коммуникацию и организацию.

Кроме того, послойное изготовление биосинтезированной ткани гарантирует, что напечатанная ткань имеет взаимосвязанные поры.

Следовательно, биопечатная ткань или орган с улучшенными межклеточными и внутриклеточными коммуникациями будут идеальными для физиологии человека in vivo.

Эта особенность сделает синтетическую ткань лучше, потому что она помогает в данных, полученных в доклинических испытаниях, а также потому, что ткани животных не могут в достаточной степени предсказать патофизиологическую реакцию человека.

Как работает 3D-биопечать?

В организме человека ткани повреждаются, и они дегенерируют ежедневно. Тем не менее, ваших способностей к регенерации тканей может быть недостаточно, чтобы справиться с частыми травмами, такими как несчастные случаи или сердечные заболевания.

Со временем лечение таких состояний зависит от трансплантации тканей или органов. Таким образом, весь процесс может вызвать иммунный ответ или отторжение трансплантата.

В решении этих двух проблем пригодится 3D-печать.

Почему? Поскольку вам нужен орган, цель регенеративной медицины с помощью 3D-биопечати состоит в том, чтобы обеспечить ваши стволовые клетки нужным вам органом или тканью. Тогда у вас будет идеальная ткань, которая не вызывает этих аутоиммунных реакций.

Концепция 3D-биопечати включает в себя принципы материаловедения и биологии человека для синтеза тканей и органов.

Таким образом, основное внимание уделяется восстановлению поврежденных органов или тканей, таких как цирроз печени или сердечная недостаточность. Следовательно, идея вращается вокруг имитации естественной биологической сложности ткани, что приводит к дифференцировке стволовых клеток, ведущей к регенерации ткани.

Почему 3D-биопечать вместо обычного пожертвования?

При обычном донорстве процесс, который приводит к отторжению ткани или органа, является, среди прочего, результатом клеточных образований и интерфазы соединения. На него влияют факторы роста, такие как факторы роста эндотелия сосудов.

Этот процесс является несколько случайным и не позволяет индивидуально распределять внеклеточный матрикс или клетки. Кроме того, это менее эффективно и занимает много времени. С экономической и логистической точки зрения этот недостаток приводит к невозможности клинического применения трансплантата.

Таким образом, аддитивное производство помогает исследовать тканевую инженерию с помощью нисходящего подхода в 3D-биопечати.

Этот подход имеет контролируемый характер отложения вещества, что помогает получить точные геометрические формы, которые являются анатомически точными с использованием компьютерного дизайна.

Какова цель трехмерной биопечати?

По данным 3D-принтеров Allevi, более 120 000 граждан США нуждаются в донорских органах.

Другие бесчисленные пациенты имеют хронические и другие неизлечимые состояния здоровья из-за иммуносупрессии после трансплантации, а другие - из-за длительного повреждения того же самого.

Таким образом, повышенное давление и потребность в альтернативах трансплантации органов. Аддитивное производство помогло научному и медицинскому сообществу собрать многопрофильных исследователей, инженеров и врачей для решения проблем, связанных со здоровьем человека.

Трехмерная биопечать — это инструмент, обещающий устранение списков ожидания на трансплантацию органов и тканей. Кроме того, при разработке фармацевтических препаратов биопечать обеспечивает более быстрый и менее затратный способ проведения клинических испытаний лекарственных средств, биологически значимых для животных и людей.

Это устройство, например, помогает хирургам соединять вены, уменьшая количество осложнений. Трехмерная печать также помогает предлагать более простые системы доставки лекарств.

Удивительно, но дальнейшая эволюция 3D-биопечати приведет к инженерии костной ткани и ткани кожи, сердечной ткани, заплатам органов или полной замене органов с использованием стволовых клеток пациента.

Цель 3D-печати — предоставить врачам и исследователям лучший инструмент для целенаправленного лечения с улучшенными результатами.

Когда была изобретена 3D-биопечать?

Этот вопрос возвращает нас к началу 1900-х годов, когда были открыты матричные принтеры.

Трехмерные принтеры, способные печатать материальные объекты из данных Чарльза Холла, послужили основой для всех любителей и инженеров для печати различных объектов, включая ткани и здания.

Однако трехмерная биопечать началась в 2000 году, когда кто-то создал протезы и имплантаты, которые почти соответствовали характеристикам пациента. Медицинская область охватывает небиологическое использование 3D-печати и анатомического моделирования.

В 2003 году Томас Боланд создал первый трехмерный биопринтер для печати живой ткани с использованием биочернил из биосовместимых веществ. После прорыва 2003 года произошла успешная имплантация первого лабораторного мочевого пузыря в 2006 году и биопечать первого кровеносного сосуда в 2009 году.

Процедура 3D-биопечати

Стратегии трехмерной биопечати вращаются вокруг точного наслоения материалов. Процесс биопечати включает этапы подготовки, печати и последующей обработки.

На этапе подготовки вы создаете 3D-модели с помощью компьютерной графики. Эти модели должны быть анатомически точными.

Вы также выбираете биочернила, которые будете использовать. Этот выбор означает, что вы определяете мышечную ткань или структуру, которую хотите, таким образом выбирая правильные материалы, включая клетки млекопитающих, эндотелиальные клетки или любые другие типы клеток, которые вам нужны.

Второй этап включает в себя выбор дополнительных материалов, а последний этап включает в себя созревание изготовленных конструкций.

Методы биопечати

Вы можете выполнять биопечать как без каркасов, так и на основе каркасов. Режим на основе скаффолда; матрица включает слой, используемый в производственном процессе. Эта матрица биоматериала моделирует биочернила. Таким образом, вы можете использовать наполненный клетками гидрогель, пленку или нановолокно.

Обратите внимание:конечная биологическая конструкция должна точно имитировать типичную среду внеклеточного матрикса. Этот аспект позволяет клеткам биологических конструкций увеличиваться и расти.

Биопечать без каркаса предполагает нанесение агрегатов тканей и клеток в виде сфероидов, цилиндров, сот и т. д. Второй процесс включает помещение сфероидов тканей в пипетки, а затем размещение пипетки в ограниченном пространстве пресс-формы 3D-биопринтера путем экструзии.

Затем клетки формируют свой клеточный матрикс, что приводит к созреванию тканей; следовательно, вы избавляетесь от плесени.

Каковы недостатки 3D-биопечати?

Риск загрязнения при непрерывной струйной биопечати:биочернила, которые не отклоняются в подложке, рециркулируют в ваш принтер. Рециркуляция может привести к загрязнению.

Отсутствие компонентов биопечати, таких как неадекватное программное обеспечение, может определять биологические молекулы, биоматериалы и размещение клеток. Этот недостаток затрудняет работу с 3D-биопечатью.

При деформации каркаса новообразованные ткани могут выйти из строя, если вы не обеспечите им механическую и структурную поддержку. Таким образом, вы должны создавать стабильные трехмерные конструкции.

Сколько существует видов биопечати?

Существует несколько методов трехмерной печати для изготовления и выборочного формирования рисунка внеклеточного матрикса. К ним относятся:

• Струйная печать
• Экструзионная печать
• Лазерная биопечать
• Стереолитографическая биопечать

Трехмерная биопечать на основе струйной печати

Струйная биопечать использует биочернила и живые клетки на биобумаге. Биочернила – это суспензия биоматериала с низкой вязкостью, а биобумага – это субстанции биоматериала, такие как полимерные конструкции, чашка для культивирования или гидрогелевая подложка.

Вы можете выполнять эту технику двумя способами. Первый способ – непрерывная струйная печать. Здесь вы создаете непрерывный поток капель, оказывая давление на свои биочернила. Давление вытесняет чернила.

Затем вы прикладываете электрическое поле, которое отклоняет поток биочернил в подложку. Желоб собирает лишние капли, которые не выровнены в потоке, для повторного использования.

Во-вторых, у вас есть струйная биопечать по требованию. Действие аналогично непрерывной струйной печати, за исключением того, что вы будете производить капли по требованию. Таким образом, вы будете применять импульсное давление, а не постоянное давление.

Лазерный прямой перенос

Лазерный прямой перенос использует лазерные лучи для нанесения биочернил на подложки. Этот метод предлагает бесконтактный процесс записи для трехмерной печати.

В этом методе у вас есть три жизненно важных элемента, включая лазерный источник (импульсный), ленту с покрытием из биочернил и реципиентную подложку. В качестве источника энергии можно использовать УФ-лазер с наносекундным импульсом.

Первоначально LIFT использовал высокоэнергетический лазерный импульс для нанесения металлических элементов на прозрачную подложку путем непосредственного нанесения. Техника распространяется как AFA-LIFT.

Впитывающая пленка (LIFT) для биопечати

Здесь вы добавите металлический поглощающий лазер слой на биочернила и интерфейс ленты. Этот слой действует как жертвенный слой, защищая ваши клетки от воздействия лазера.

В этом методе вы можете напрямую печатать клетки на внеклеточном матриксе. Кроме того, вы можете распечатать их как инкапсулированные части в процессе печати.

Биопечать на основе экструзии

Экструзионная биопечать выполняется двумя способами:биопечать с помощью давления и прямое письмо чернилами. DIW представляет собой процесс пневматической экструзии, при котором трехмерный биопринтер выдавливает материалы, создавая послойные трехмерные архитектуры.

При печати с помощью давления вы вызовете поток, применяя более высокое напряжение, чем предел текучести устройства. Таким образом, вы снимете напряжение сдвига, а биочернила восстановят жесткость после нанесения на подложку.

SLA 3D-биопечать

Биопечать SLA зависит от высоты биосовместимых материалов, а не от их сложности.

Техника строит сложные ткани слой за слоем, добавляя материалы и проецируя свет. Вы проецируете свет на термоотверждаемые и светочувствительные биочернила.

Фоточувствительность является требованием для биоматериалов, потому что метод использует свет в качестве сшивающего агента. Таким образом, вы должны включать фотоотверждаемые фрагменты, такие как производные ПЭГ.

Секторы здравоохранения используют биопечать SLA в методах визуализации, включая МРТ и КТ, для улучшения диагностики протезов.

Сектор также использует его для проведения сложных операций. Биопечать SLA делится на две категории:многофотонные и однофотонные методы печати.

Кому может быть полезна 3D-биопечать?

Обратите внимание, что биопечать органов и тканей требует еще нескольких лет исследований. Но мы могли предвидеть, кому этот инструмент в основном принесет пользу различным пациентам. Вот список областей, в которых применима биопечать.

• Биопечать тканей кожи
• Биопечать костной ткани
• Биопечать хрящевой ткани
• Биопечать сердечной ткани

Что такое 3D-биопечать тканей и органов?

Биопечать тканей кожи

Кожа человека сложна с дополнительными структурами, такими как сальные железы, потовые железы, волосы и ногти. У вас также есть различные типы клеток и нервных окончаний. Коллагеновая ткань отвечает за эластичность кожи.

С помощью 3D-биопечати можно печатать кожу человека, что предполагает придание ей необходимых механических свойств путем создания всех ее свойств в четыре этапа. Первый этап является подготовительным, когда вы получаете стволовые клетки кожи из биопсии и расширяете их в культуре, чтобы сделать биочернила.

Второй шаг — собственно печать, за которой следует постобработка, при которой клетки будут увеличиваться и созревать.

Наконец, вы характеризуете и оцениваете функцию кожной ткани. Таким образом, биопечать тканей кожи будет иметь большое значение для людей, страдающих раком кожи или кожными заболеваниями, ожогами и проблемами со старением и морщинами на коже.

Биопечать сердечной ткани

Сердечно-сосудистые заболевания по-прежнему являются причиной смертности многих людей. Общие сердечные заболевания включают остановку сердца, инфаркт миокарда, сердечную недостаточность, стенокардию, кардиомиопатию и т. д. Кроме того, в артериях и венах обнаруживаются хронические заболевания, такие как стеноз.

Печальная новость заключается в том, что кардиомиоциты незаменимы, поскольку у них отсутствует процесс саморегенерации или восстановления. Их постоянная гибель увеличивает рост коллагеновой ткани, что увеличивает риск кардиомиопатии. В этих условиях трудно найти донора сердца.

Но с 3D-биопечатью эти состояния здоровья можно будет контролировать. Биопечать сердечной ткани является сложной задачей из-за сложности сердечной мышцы, особенно в достижении ее ауторитмической природы.

Биопечать хрящевой ткани

Хрящ представляет собой гладкую белую ткань, покрывающую концы костей. Это сложная структура, состоящая из протеогликанов, коллагена и белков.

Отличительной особенностью его является то, что хрящевая ткань бессосудистая, а нервная и лимфатическая системы также не достигают ее.

Следовательно, как только вы постоянно травмируете или вызываете травму, вы можете заболеть остеоартритом или ухудшением состояния. В настоящее время тканевая инженерия рассматривает возможность распределения этих биологических факторов путем осаждения полиэтилена и хондроцитов в биопечать хрящевой ткани.

Биопечать костной ткани

Костная ткань представляет собой сильно васкуляризированную и структурно сложную ткань. Остеодегенеративные и переломы костей могут привести к повреждениям и травмам, ведущим к дисфункции костной ткани или хроническому дефекту кости.

Эти дисфункции и дефекты требуют регенерации кости, которая может помочь восстановить поврежденную костную ткань.

В инженерии костной ткани используются гидрогели. Однако гидрогели не способны образовывать минерализованный костный матрикс.

Таким образом, биопечать костной ткани обещает лучшие результаты в контролируемой химии и сохранении формы целостности ткани.

Какой материал можно использовать в биопечати?

Чернила должны обладать желаемыми биохимическими свойствами, которые помогут нанести их на указанные узоры. Почему?

Потому что биочернила облегчают взаимодействие внеклеточного матрикса, а также пролиферацию и рост клеток. Кроме того, чернила должны быть биосовместимыми, чтобы поддерживать морфологию желаемой ткани.

Для биопечати тканей сердца и кожи вам понадобятся аналогичные биочернила. Вы можете выбрать натуральные полимеры, такие как коллаген, желатин, альгинат или гиалуроновая кислота.

Если вы предпочитаете синтетические полимеры, вы можете выбрать полимолочно-гликолевую кислоту, поликапролактон, полиэтиленгликоль. Кроме того, вы можете выбрать сочетание синтетических и натуральных биоматериалов.

При выборе биочернил для костной ткани учитывайте специализацию клеток, их функциональность и цитосовместимость.

Можно использовать желатин, гидроксиапатит; Желатин для подготовительного этапа и гидроксиапатит, помогающий конструкции печатной ткани имитировать естественную костную ткань.

Подведение итогов

3D-биопечать — это инструмент, обещающий произвести революцию в медицине, какой мы ее знаем. От инженерии сердечной ткани до печатных структур костной ткани — 3D-печать поможет решить огромные проблемы со здоровьем человека.

В заключение, эти приложения тканевой инженерии в мягких тканях сердца, кровеносных сосудах, хрящевой ткани и т. д. помогут заполнить списки ожидания на донорство и улучшить здоровье.

Мы ожидаем перехода от традиционной клеточной биологии к передовой медицине с трехмерными тканями и органами в ближайшее время.