Объяснение 3D-биопечати:определение, история, механизмы и ключевые типы

3D-биопечать представляет собой группу технологий ранней стадии. Эти области исследований изучают использование биологических материалов при печати функциональных имплантатов и тестовых устройств, которые имитируют, стимулируют или копируют реальные ткани, как для имплантатов пациентов, так и для исследовательских инструментов. Хотя эти технологии находятся на очень ранней стадии, они обещают сдвиги парадигмы в медицинских вмешательствах, которые будут иметь драматические и далеко идущие последствия.

В этой статье будут обсуждаться:Что такое 3D-биопечать? , его история, принцип работы и типы.

Что подразумевается под 3D-биопечатью?

3D-биопечать — это использование биологических и биофункциональных материалов в аддитивном производстве. Для создания 3D-структур из этих биологических материалов используются высокоспециализированные принтеры. Некоторые примеры:живые клетки, биоактивные каркасы или каркасные материалы и биомолекулы. В этом процессе используются типичные методы 3D-печати для нанесения биологического материала слоями, в результате чего создаются биологические имитации, каркасы и конструкции-заменители для различных медицинских целей.

Целью 3D-биопечати является изготовление высокофункциональных, сложных тканевых конструкций и, в конечном итоге, органов. Они используются в медицинских целях, таких как имплантация пациентов, тестирование лекарств и моделирование патологии. Эта технология в настоящее время работает на довольно примитивном уровне. Однако с точки зрения функционирования тканей прогресс исследований предполагает, что это произведет революцию в здравоохранении, позволив изготавливать органы по индивидуальному заказу, которые функционально аналогичны (или лучше) естественным тканям, которые они воспроизводят.

Когда началась 3D-биопечать?

Не существует ни одного момента, когда технологии и исследования, которые привели к 3D-биопечати, внезапно прорвались в решения для пациентов. Тем не менее, несколько важных событий можно назвать плодотворными в определении основ этой технологии. Габор Форгач заметил, что клетки могут быть организованы в «новые» пространственные структуры, которые могут объединяться и сохранять эту структуру бесконечно долго. Это понимание позже стало ключом к трехмерному конструированию биологических структур, поскольку оно показало, что их можно заставить сохранять форму.

Биосовместимые материалы начали использоваться в регенеративной медицине примерно в 2000 году. Это привело непосредственно к созданию пространственных каркасов, разработанных в Университете Уэйк Форест. Каркасы были колонизированы культивируемыми клетками пациента и имплантированы без отторжения или иммуносупрессивных препаратов. Они оказались долгосрочно стабильными. В 2002 году компания Landers сообщила о технологии биоэкструзии, которая была коммерциализирована как «3D-Bioplotter». Уилсон и Боланд использовали модифицированный струйный принтер HP в качестве биопринтера в 2003 году, а затем в 2004 году разработали биопечать с загрузкой клеток с помощью коммерческого принтера SLA, создающего каркасы.

Как работает 3D-биопечать?

Процесс 3D-биопечати обычно состоит из следующих этапов:

1. Создайте 3D-дизайн тканей или органов, которые будут напечатаны. Такие инструменты, как BioPrint Pro от Allevi 3D, быстро развиваются.
2. Выберите идеальные биочернила. Материал, используемый в 3D-печати, содержит такие материалы, как белки и факторы роста в биосовместимых фотоотверждаемых смолах. Это готовые материалы, готовые к печати на неподходящем SLA биопринтере. Перед печатью в них необходимо внести культивированные клетки пациента, которые будут стимулированы к «выращиванию» органа.
3. Биопринтер строит модель, как задумано, и обрабатывает ее с помощью стандартного программного обеспечения слайсера. Биочернила разработаны для различных методов производства, таких как экструзия, струйная печать и SLA-печать. Отложенные биочернила сливаются, образуя пористую структуру, готовую к созреванию клеток.
4. Напечатанная структура отверждается до более стабильной, сшитой формы с помощью различных процессов, подходящих для определенных типов биочернил.
5. После сшивания печатный материал инкубируется в биореакторе. В этом процессе с напечатанной тканью/органом будут обращаться как с живым существом, чтобы оптимизировать его развитие.

Для получения дополнительной информации см. наше руководство «Как работают 3D-принтеры».

В чем важность 3D-биопечати?

Растущее использование биопечати во всех областях ухода за пациентами, разработки лекарств и исследований является результатом разработки все более мощного набора инструментов. Это ранняя стадия того, что, вероятно, станет производством полностью замещающих тканей и органов. Возможность изготавливать новые органы для хирургических имплантатов по индивидуальному заказу находится на грани революции во всем медицинском секторе. Это позволяет проводить лечение пациентов с использованием тканей пациента для доставки новых, совершенных и «настоящих» трансплантатов с минимальным риском отторжения или вообще без него. На рисунке 1 показан пример биопечатного органа:

3D-биопечатный орган.

Изображение предоставлено:Shutterstock.com/guteksk7

Какова цель 3D-биопечати?

Биопринтинг — это процесс создания готовых к инкубации каркасов, заполненных клетками пациента, которые можно инкубировать и выращивать, чтобы они стали замещающими органами. Это незаменимый и ключевой шаг в доставке готовых к трансплантации тканей и органов пациента, которые иммунная система пациента распознает как «собственные». 

Каковы различные типы 3D-биопечати?

Биопечать развивалась по трем направлениям, каждое из которых имеет свои трудности и преимущества:

1. Струйная биопечать

При струйной биопечати используется специально модифицированная струйная печать для помещения живых клеток и биоматериалов на стереолитографическую трехмерную конструкцию для создания биологических структур — тканей и органов. Печатающая головка распределяет биочернила, содержащие клетки пациента и биологические поддерживающие среды, создавая «изображение» каждого среза в 3D-проекте, построенном на предыдущем слое. Эти биочернила содержат элементы, отверждаемые УФ-излучением или термоотвердевающие, которые объединяют и связывают каждый слой с нижним. Таким образом, ткани, как задумано, складываются в трехмерную структуру, которую затем можно инкубировать до созревания.

Струйная биопечать отличается высоким разрешением, высокой скоростью и подходит для нанесения нескольких типов клеток или биоматериалов за один отпечаток. Хотя эта технология еще далека от общепринятой, она является ключевым экспериментальным методом тканевой инженерии для регенеративной и имплантационной медицины, а также для тестирования лекарств.

2. Биопечать под давлением

При биопечати под давлением используется доставка мелких капель биочернил с пневматическим или гидравлическим приводом на рабочую платформу. Это создает ткани, как задумано, слой за слоем. При нанесении слоя биочернил он отверждается под воздействием ультрафиолета или изменения температуры. Этот процесс помогает создать целостную структуру, которую можно инкубировать для созревания тканей, готовых к исследованию (или к исследованию). Этот процесс во многих отношениях проще, чем альтернативные варианты. Это позволяет размещать смешанные клетки для более точной имитации реальных тканей. Разрешение ниже, поскольку основано на выдавленных каплях. Во многих случаях это небольшой недостаток эффективного метода построения тканей.

3. Лазерная биопечать

Лазерная биопечать использует лазер для переноса и точного нанесения живых клеток или биоматериалов на платформу для сборки. Он создает желаемые трехмерные биологические структуры, такие как ткани и органы. Лазерный луч испаряет материал подложки на трансферной ленте, наполненной биочернилами. Это приводит к мгновенному испарению подложки и выбросу биочернил на конструкцию. При этом точные капли биочернил наносятся на конструкцию слой за слоем, создавая желаемую трехмерную структуру. Это точная имитация пузырьковой печати.

Лазерная биопечать предлагает различные преимущества по сравнению с другими методами 3D-печати, включая высокоточный контроль над размещением клеток, возможность печати с высоким разрешением и возможность использовать широкий спектр биоматериалов, в том числе с более сложным составом. Чрезмерная мощность лазера может привести к повреждению клеток, а этот метод плохо приспособлен для достижения высокой плотности клеток.

Каковы различные подходы к 3D-биопечати?

Ниже перечислены различные подходы к 3D-биопечати:

1. Биомимикрия

Биомимикрия использует естественные тканевые процессы и материалы для решения структурных и функциональных проблем биопечати. Биомимикрия может создать более эффективные методы создания аналогичных биологических тканей и органов. Использование материалов природного внеклеточного матрикса (ECM) для создания каркасов для тканевой инженерии является одной из форм биомимикрии. ЕСМ обеспечивает структурную поддержку клеток. Использование натуральных материалов ЕСМ, таких как коллаген и гиалуроновая кислота, может улучшить структурную целостность и функциональность печатных тканей.

Использование биочернил, содержащих ненатуральные материалы, имитирующие свойства натуральных тканей, такие как жесткость, эластичность и адгезия клеток, может помочь создать более функциональные печатные ткани. Некоторые исследователи изучают методы 3D-печати, имитирующие то, как пауки плетут паутину, для создания сложных и более типичных для природы свойств напечатанных биологических структур.

2. Автономная самосборка

Автономная самосборка направлена на то, чтобы позволить клеткам самоорганизовываться и формировать необходимые структуры без необходимости прямых манипуляций/размещения. Этот подход направлен на имитацию естественного процесса сборки клеток при нормальном росте тканей. Клетки пациента смешиваются с биочернилами, содержащими гелевый материал, которому можно придать необходимую форму. Затем клетки и биочернила инкубируются, чтобы произошла самоорганизация. При этом формируются тканевые или органные структуры, более близкие к природе. Этот подход отличается от традиционных методов биопечати, в которых клетки точно размещаются по заранее определенному шаблону для создания структуры.

Автономная биопечать с самосборкой имеет большие преимущества перед традиционной биопечатью, если ее можно достичь повторяемо и предсказуемо. Например, это позволяет создавать более сложные и реалистичные тканевые структуры путем мобилизации морфогенетических процессов развития. Устранение необходимости внешних манипуляций снижает повреждение клеток, которое может стать препятствием при биопечати.

Исследователи разрабатывают новые материалы и методы для управления естественным и внутренним процессом самосборки, чтобы обеспечить более естественный и более функциональный результат. Это, пожалуй, самая важная область исследований в области биопечати, поскольку она потенциально может совершить еще одну революцию в тканевой инженерии и регенеративной медицине.

3. Мини-салфетка

Мини-ткани (или микроткани) представляют собой ограниченные трехмерные клеточные структуры. Они используются при разработке лекарств, тестировании на токсичность и тканевой инженерии, а не в качестве имплантатов для пациентов. Они печатаются общепринятыми методами:обычными биочернилами, пропитанными живыми клетками. Создание мини-тканей имеет преимущества перед традиционными двумерными культурами клеток в чашках Петри, которые используются иным образом. Более точно имитируя сложность естественных тканей, они предлагают более реалистичные результаты при тестировании лекарств и проверке токсичности. Исследователи планируют собирать более крупные ткани и органы, которые потенциально можно будет использовать в качестве имплантатов пациентам, печатая небольшие строительные блоки.

Каковы этапы процесса 3D-биопечати?

Биопечать – процесс, требующий строгости и высокого контроля во всех отношениях. Каждый приведенный ниже шаг — это область интенсивных исследований, поскольку постоянно разрабатываются альтернативные методы и материалы:

1. Предварительная биопечать

Процесс предварительной биопечати состоит из различных этапов, которые должны быть абсолютно правильными:допустимые отклонения и ошибки минимальны, если в результате должна получиться полезная тканевая структура. Первым шагом является концептуализация и определение желаемой структуры. Это определит форму, размер и общие физические свойства ткани, а также типы клеток и поддерживающих/питательных материалов, которые будут использоваться. После определения контура конструкции специальные инструменты САПР используются для создания высокодетализированной 3D-модели конструкции. Затем выбираются или создаются подходящие биочернила, содержащие структурную, затвердевающую и питательную смесь, подходящую для выращиваемых тканей. Отбор и культивирование клеток in vitro — самый деликатный этап, включающий инкубацию и стимулирование размножения клеток в культуральной среде в строго контролируемых условиях, чтобы гарантировать их жизнеспособность и достаточность.

2. Биопечать

Биопечать — это заключительный этап реализации, который берет на себя фундаментальную работу и создает необходимый образец ткани. Он готов к инкубации и запланированному использованию для оценки лекарств, испытаний на токсичность или имплантации пациенту. Образец ткани конструируется либо стереолитографическими методами, либо путем самоорганизации, заложенной в план.

3. Пост-биопечать

После биопечати существуют различные важные этапы обработки, которые обеспечивают функционирование и жизнеспособность построенной ткани. Во-первых, напечатанный матричный материал должен быть сшит для создания прочной и стабильной структуры. Доступны различные методы, обычно УФ-отверждение, термообработка и наружное применение химических веществ. Затем созревание/инкубация позволяет клеткам делиться и дифференцироваться. Для этого необходимы строго контролируемые условия окружающей среды. Во время созревания и снова после созревания оценивается жизнеспособность клеток, чтобы убедиться, что они выполняют свои предназначенные функции. После созревания построенную ткань характеризуют, чтобы определить ее физический, биологический и биохимический характер. В этом процессе используются такие методы, как гистология или иммуногистохимия, для оценки поведения ткани. Наконец, биопринтованная ткань будет проверена, чтобы убедиться, что она функционирует должным образом. Доступен широкий спектр возможных тестов, подходящих для конкретных типов тканей.

Каковы области применения 3D-биопечати?

Список применений биопечати постоянно растет, но основные функции, которые она выполняет на данный момент, перечислены ниже:

1. Оценка эффективности препарата и побочных реакций.
2. Токсикологические исследования.
3. Имплантат пациента.

Каковы преимущества 3D-биопечати?

Биопечать — это мощный набор методов, который открывает все более мощные возможности в большинстве областей здравоохранения, разработки лекарств, окружающей среды и испытаний на токсичность. Ниже перечислены некоторые из его преимуществ:

1. Позволяет точно создавать сложные тканевые структуры.
2. Может использоваться для создания 3D-моделей органов для тестирования на наркотики. Это позволяет проводить более быстрое и менее этическое тестирование лекарственных форм.
3. Уменьшает необходимость испытаний на животных.
4. Можно создавать индивидуальные имплантаты, адаптированные к потребностям конкретного пациента.
5. Может создавать живые ткани и органы для трансплантации, хотя эта способность пока ограничена простыми структурами. Они будут построены из клеток пациента, поэтому отторжение будет минимальным.

Каковы ограничения 3D-биопечати?

Биопечать имеет серьезные ограничения, которые являются предметом обширных исследований, в том числе:

1. В настоящее время невозможно печатать сложные ткани и органы с различными типами клеток, кровеносными сосудами и нервами.
2. Материалы для биопечати дороги и сложны в производстве.
3. Механика процесса печати часто повреждает или разрушает клетки. Это ограничивает жизнеспособность напечатанных тканей.
4. Все еще дорогая и требующая интенсивного лабораторного использования технология. Здесь используется дорогое оборудование и требуются исключительные навыки.
5. На данный момент не существует стандартов или общепринятых руководящих принципов. Оценка результатов между методами и исследовательскими группами является сложной задачей.

Как 3D-биопечать способствует инновациям в медицинской промышленности?

Биопечать станет основным инструментом регенеративной хирургии при широком спектре дегенеративных заболеваний и физиологических состояний. Печать нового функционального сердца для замены поврежденного сердца пациента все еще остается отдаленной перспективой, но первые строительные блоки уже готовы. Прямо сейчас биопечать сокращает и снижает стоимость циклов оценки и сертификации лекарств. Это снижает барьеры для выхода на рынок новых фармацевтических препаратов.

Какой тип 3D-печати называется биопечатью?

Биопечать обычно основана на стереолитографических методах, при которых ткани создаются слой за слоем из 3D-файла. Следующая революция, скорее всего, приведет к самоорганизации, по крайней мере, в распределении и позиционировании клеток.

Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашим полным руководством по 8 типам процессов 3D-печати.

3D-печать и 3D-биопечать — одно и то же?

Нет, 3D-печать и 3D-биопечать — это не одно и то же, но есть области сходства. Некоторые инструменты, используемые в биопечати, взаимозаменяемы с инструментами, используемыми в секторе быстрого прототипирования. Однако расхождение между этими двумя секторами очевидно и будет быстро увеличиваться. Биопечать быстро превосходит ограничения сложности, присущие сектору быстрого прототипирования, поскольку исследователи стремятся получать все более сложные и высокофункциональные результаты.

Сводка

В этой статье представлена 3D-биопечать, объяснена и обсуждены ее различные типы и применения. Чтобы узнать больше о 3D-печати в других отраслях, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



Руководство по нити для 3D-принтера:типы, материалы и практическое использование Революция в аэрокосмической отрасли:структурные компоненты, напечатанные на 3D-принтере