3D-биопечать: определение, история, принципы работы и основные типы

3D-биопечать представляет собой группу технологий на ранней стадии развития. Эти направления исследований изучают использование биологических материалов для печати функциональных имплантатов и тестовых устройств, которые имитируют, стимулируют или воспроизводят реальные ткани — для имплантации пациентам или в качестве исследовательских инструментов. Несмотря на то, что эти технологии находятся на очень ранней стадии, они обещают парадигмальные сдвивы в медицинских вмешательствах с драматическими и далеко идущими последствиями.

Что такое 3D-биопечать?

3D-биопечать — это использование биологических и биофункциональных материалов в аддитивном производстве. Специализированные принтеры создают трёхмерные структуры из этих материалов. Примеры включают: живые клетки, биологически активные каркасные или скелетные материалы и биомолекулы. Процесс использует типичные методы 3D-печати для поэтапного нанесения биологического материала, что приводит к созданию биологических миметиков, каркасов и замещающих конструкций для различных медицинских целей.

Цель 3D-биопечати — производство высокофункциональных, сложных тканевых конструкций и, в конечном итоге, органов. Они используются в медицинских целях: для имплантации пациентам, тестирования лекарств и моделирования патологий. В настоящее время технология работает на довольно примитивном уровне. Однако прогресс исследований показывает, что она революционизирует здравоохранение, позволяя индивидуально производить органы, функционально аналогичные (или превосходящие) естественным тканям, которые они воспроизводят.

Когда началась 3D-биопечать?

Не существует единого момента, когда технологии и исследования, приведшие к 3D-биопечати, внезапно прорвались к клиническим решениям. Однако несколько значимых событий стали фундаментальными для определения основ этой технологии. Габор Форгач заметил, что клетки могут быть организованы в «новые» пространственные структуры и что они способны объединяться и удерживать структуру неопределенно долго. Это понимание стало ключевым для 3D-конструирования биологических структур, так как показало, что их можно заставить сохранять форму.

Биосовместимые материалы начали использоваться в регенеративной медицине около 2000 года. Это напрямую привело к созданию пространственных скелетов, разработанных в Университете Уэйк-Форест. Скелеты колонизировали культивированными клетками пациента и имплантировали без отторжения и иммунодепрессантов. Они доказали свою долгосрочную стабильность. В 2002 году Лендерс сообщил о технологии биоэкструзии, коммерциализированной как «3D-Bioplotter». Уилсон и Боланд в 2003 году использовали модифицированный струйный принтер HP как биопринтер, а в 2004 году разработали клеточно-нагруженную биопечать с коммерческим SLA-принтером для построения скелетов.

Как работает 3D-биопечать?

Процесс 3D-биопечати обычно состоит из следующих этапов:

1. Создание 3D-дизайна тканей или органов для печати. Инструменты вроде BioPrint Pro от Allevi 3D развиваются стремительно.
2. Выбор идеального биочернил. Материал для 3D-печати содержит белки и факторы роста в биосовместимых фотореактивных смолах. Это готовые к печати материалы для соответствующего SLA-биопринтерного оборудования. Перед печатью их необходимо насытить культивированными клетками пациента, которые будут стимулированы к «выращиванию» органа.
3. Биопринтер строит модель по проекту, обрабатывая её через стандартный слайсер-софт. Биочернила формулируются для различных производственных методов: экструзии, струйной печати и SLA-печати. Нанесённые биочернила сливаются, образуя пористую структуру, готовую к созреванию клеток.
4. Напечатанная структура переходит в более стабильную, перекрёстно-связанную форму различными процессами, подходящими для конкретных типов биочернил.
5. После перекрёстного связывания напечатанный материал инкубируют в биореакторе. Напечатанная ткань/орган в этом процессе обращается как живой организм, чтобы оптимизировать его развитие.

Каково значение 3D-биопечати?

Растущее использование биопечати во всех областях ухода за пациентами, разработки лекарств и исследований — результат развития всё более мощного инструментария. Это ранняя стадия того, что, вероятно, станет производством полноценных замещающих тканей и органов. Возможность индивидуального изготовления новых органов для хирургической имплантации находится на пороге революции во всей медицинской сфере. Она позволяет лечить пациентов их собственных тканями, индуцированными к доставке новых, идеальных и «настоящих» трансплантатов с минимальным или нулевым риском отторжения. На рисунке 1 приведён пример биопечатного органа:

Источник изображения: Shutterstock.com/guteksk7

Какова цель 3D-биопечати?

Биопечать — это процесс доставки инкубационно-готовых, населенных клетками пациента скелетов, которые могут быть инкубированы и выращены до замещающих органов. Это незаменимый, ключевой этап в доставке пациентам готовых к трансплантации тканей и органов, которые иммунная система пациента распознает как «свои».

Каковы основные типы 3D-биопечати?

Биопечать развивалась в трёх различных направлениях, каждое со своими трудностями и преимуществами:

1. Струйная биопечать (Inkjet-based)

Струйная биопечать использует специально модифицированную струйную печать для размещения живых клеток и биоматериалов на стереолитографическом 3D-конструкте для построения биологических структур — тканей и органов. Печатающая головка наносит биочернила, содержащие клетки пациента и биологическую поддерживающую среду, создавая «изображение» каждого среза в 3D-дизайне, построенного на предыдущем слое. Эти биочернила содержат УФ-отверждающиеся или термозастывающие элементы, интегрирующие и связывающие каждый слой с нижележащим. Таким образом, ткани, как спроектировано, укладываются в 3D-структуру, которую затем можно инкубировать до зрелости.

Струйная биопечать отличается высоким разрешением, высокой скоростью и пригодностью для нанесения нескольких типов клеток или биоматериалов в одной печати. Пока она далека от массового внедрения, эта технология является ключевым экспериментальным методом в тканевой инженерии для регенеративной и имплантной медицины, а также в тестировании лекарств.

2. Давление-ассистированная биопечать (Pressure-assisted)

Давление-ассистированная биопечать использует пневматическую или гидравлическую подачу тонких капель биочернил на строительную платформу. Это конструирует ткани поэтапно. Когда слой биочернил наносится, он отверждается под воздействием ультрафиолета или изменения температуры. Этот процесс помогает создать цельную структуру, которую можно инкубировать для созревания тканей, готовых для пациента (или исследовательских тестов). Процесс во многих отношениях проще альтернатив. Он позволяет смешанное размещение клеток для более точной мимикрии реальных тканей. Разрешение ниже, так как оно основано на экструдируемых каплях. Во многих случаях это небольшое неудобство по сравнению с иначе мощным методом конструирования тканей.

3. Лазер-ассистированная биопечать (Laser-assisted)

Лазер-ассистированная биопечать использует лазер для переноса и точного нанесения живых клеток или биоматериалов на строительную платформу. Она создаёт желаемые 3D-биологические структуры, такие как ткани и органы. Лазерный луч испаряет субстратный материал на переносной ленте с биочернилами. Это вызывает вспышковое испарение субстрата и выброс биочернил на строительную площадку. Это наносит точные капли биочернил на строительный слой за слоем для создания желаемой 3D-структуры. Это близкое моделирование пузырьковой струйной печати.

Лазерная биопечать предлагает различные преимущества перед другими методами 3D-печати, включая высокоточный контроль размещения клеток, возможность печати с высоким разрешением и использование ряда биоматериалов, в том числе со более сложным составом. Избыточная лазерная мощность может привести к повреждению клеток, а метод плохо приспособлен для доставки высоких плотностей клеток.

Каковы подходы к 3D-биопечати?

1. Биомимикрия

Биомимикрия использует естественные тканевые процессы и материалы для решения структурных и функциональных проблем биопечати. Она может создавать более эффективные методы производства тесно аналогичных биологических тканей и органов. Использование естественных материалов внеклеточной матрицы (ECM) для создания скелетов в тканевой инженерии — одна из форм биомимикрии. ECM обеспечивает структурную поддержку клеткам. Использование натуральных материалов ECM, таких как коллаген и гиалуроновая кислота, может улучшить структурную целостность и функциональность напечатанных тканевых результатов.

Использование биочернил, содержащих не-натуральные материалы, имитирующие свойства натуральных тканей — жёсткость, эластичность и клеточное адгезирование — помогает создавать лучше функционирующие напечатанные ткани. Некоторые исследователи исследуют методы 3D-печати, имитирующие то, как пауки ткут паутину, чтобы создавать сложные и более природные свойства в напечатанных биологических структурах.

2. Автономная самоорганизация

Автономная самоорганизация стремится дать клеткам возможность самоорганизоваться и сформировать необходимые структуры без прямой манипуляции/размещения. Этот подход имитирует то, как клетки естественно собираются при нормальном росте тканей. Клетки пациента смешивают с биочернилами, содержащими гелевый материал, который можно сформировать в требуемую форму. Клетки и биочернила затем инкубируют, чтобы произошла самоорганизация. Это формирует тканевые или органоподобные структуры, более близкие к природе. Этот подход отличается от традиционных методов биопечати, где клетки точно размещаются в заранее заданном узоре для создания структуры.

Автономная самоорганизация в биопечати имеет значительные преимущества перед традиционной биопечатью, если её удастся достичь повторяемо и предсказуемо. Например, она позволяет создавать более сложные и реалистичные тканевые структуры, мобилизуя процессы развития-морфогенеза. Устранение необходимости во внешней манипуляции снижает повреждение клеток, которое может быть барьером в биопечати.

Исследователи разрабатывают новые материалы и техники для управления естественным и внутренним процессом самоорганизации, чтобы обеспечить более естественный и высокофункциональный результат. Это, пожалуй, наиболее значимая область исследований в биопечати, поскольку она имеет потенциал привести к другой революции в тканевой инженерии и регенеративной медицине.

3. Мини-ткани (Микроткани)

Мини-ткани (или микроткани) — это ограниченные трёхмерные клеточные структуры. Их используют в открытии лекарств, токсикологическом тестировании и тканевой инженерии — и специально не как пациентские имплантаты. Их печатают общепринятыми методами: обычными биочернилами с живыми клетками. Создание мини-тканей предлагает преимущества перед традиционными 2D-клетковыми культурами в чашках Петри. Благодаря более точной мимикрии сложности натуральных тканей, они дают более реалистичные результаты для тестирования лекарств и токсикологического скрининга. Исследователи ожидают собирать более крупные ткани и органы, потенциально пригодные для имплантации пациентам, путём печати мелких строительных блоков.

Каковы этапы процесса 3D-биопечати?

Биопечать — процесс, требующий строгости и высокого контроля во всех отношениях. Каждый из нижеперечисленных шагов — область интенсивных исследований, так как альтернативные техники и материалы постоянно развиваются:

1. Предбиопечать

Процесс предбиопечати состоит из различных шагов, которые должны быть абсолютно точны — допуски на вариации и ошибки минимальны, если результатом должна быть полезная тканевая структура. Первый шаг — концептуализация и спецификация желаемой структуры. Это определит форму, размер, общие физические свойства ткани и типы клеток, а также поддерживающих/питательных материалов, которые будут использованы. С определённым контуром структуры специализированные САПР-инструменты используются для создания высокодетализированной 3D-модели структуры. Затем выбирают или создают подходящие биочернила, содержащие структурные, отверждающие и питательные компоненты, соответствующие выращиваемым тканям. Отбор и культивирование клеток in vitro — самый деликатный шаг, включающий инкубацию и поощрение размножения клеток в культурной среде под строго контролируемыми условиями для обеспечения их жизнеспособности и достаточности.

2. Биопечать

Биопечать — финальный реализационный шаг, который берёт базовую работу и строит требуемый тканевый образец. Он готов к инкубации и запланированным использованием для оценки лекарств, токсикологического тестирования или пациентской имплантации. Тканевый образец конструируется либо стереолитографическими методами, либо самоорганизацией, заложенной в план.

3. Постбиопечать

После биопечати есть различные критические этапы обработки, обеспечивающие функцию и жизнеспособность построенной ткани. Во-первых, напечатанный матричный материал должен быть перекрёстно-связан для создания надёжной и стабильной структуры. Доступны различные методы, обычно УФ-отверждение, термическая обработка и внешне применяемые химические агенты. Созревание/инкубация затем позволяет клеткам делиться и дифференцироваться. Для этого требуются строго контролируемые условия среды. Во время созревания и снова после зрелости жизнеспособность клеток оценивается, чтобы убедиться, что они выполняют свои предназначенные функции. После созревания построенная ткань характеризуется для определения её физического, биологического и биохимического характера. Этот процесс использует такие техники, как гистология или иммуногистохимия, для оценки поведения ткани. Наконец, биопечатанную ткань тестируют, чтобы убедиться, что она функционирует как ожидается. Доступен широкий спектр возможных тестов, подходящих для конкретных типов тканей.

Каковы применения 3D-биопечати?

У биопечати растущий список применений, но основные функции, которые она выполняет на данном этапе, перечислены ниже:

1. Оценка эффективности лекарств и нежелательных реакций.
2. Токсикологическое тестирование.
3. Пациентская имплантация.

Каковы преимущества 3D-биопечати?

Биопечать — мощный набор техник, позволяющий всё более мощные возможности во большинстве областей пациентского здравоохранения, разработки лекарств, экологии и токсикологического тестирования. Ниже перечислены некоторые из её преимуществ:

1. Позволяет точное построение сложных тканевых структур.
2. Может использоваться для создания 3D-моделей органов для тестирования лекарств. Это позволяет быстрее и с меньшими этическими ограничениями тестировать формулировки лекарств.
3. Снижает потребность в тестировании на животных.
4. Может создавать индивидуальные имплантаты, адаптированные к конкретным потребностям пациента.
5. Может строить живые ткани и органы для трансплантации, хотя эта способность пока ограничена простыми структурами. Они будут построены из клеток пациента, поэтому отторжение показано минимальным.

Каковы ограничения 3D-биопечати?

У биопечати есть серьезные ограничения, которые являются предметом обширных исследований, включая:

1. На данный момент не может печатать сложные ткани и органы с различными типами клеток, кровеносными сосудами и нервами.
2. Материалы для биопечати дороги и сложны в производстве.
3. Механика процессов печати часто повреждает или уничтожает клетки. Это ограничивает жизнеспособность напечатанных тканей.
4. По-прежнему дорогая и интенсивно лабораторная технология. Использует дорогое оборудование и требует исключительных навыков.
5. Пока нет стандартов или широко принятых руководящих принципов. Оценка результатов между методами и исследовательскими группами затруднена.

Как 3D-биопечать стимулирует инновации в медицинской отрасли?

Биопечать призвана стать основным инструментом регенеративной хирургии для широкого спектра дегенеративных заболеваний и физиологических состояний. Печать нового функционального сердца для замены поврежденного у пациента — всё ещё далекая перспектива, но ранние строительные блоки на месте. Прямо сейчас биопечать сокращает и удешевляет циклы оценки и сертификации лекарств. Она снижает барьеры для выхода на рынок новых фармацевтических препаратов.

Какой тип 3D-печати является биопечатью?

Биопечать в основном основана на стереолитографических методах, строящих ткани слой за слоем из 3D-файла. Следующая революция, вероятно, сместит это больше в сторону самоорганизации, по крайней мере в клеточном распределении и позиционировании.

Одинаковы ли 3D-печать и 3D-биопечать?

Нет, 3D-печать и 3D-биопечать не одно и то же, но есть области сходства. Некоторые инструменты, используемые в биопечати, взаимозаменяемы с теми, что в секторе быстрого прототипирования. Однако расхождение между двумя секторами ясно и будет быстро увеличиваться. Биопечать быстро превышает ограничения по сложности сектора быстрого прототипирования, так как исследователи стремятся производить всё более сложные и высокофункциональные результаты.

Резюме

В этой статье представлена 3D-биопечать, дано её объяснение и обсуждены 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 ценности-добавляющие услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное предложение без обязательств.

Отказ от ответственности

Контент, появляющийся на этой веб-странице, предназначен только для информационных целей. Xometry не дает никаких представлений или гарантий любого рода, явных или подразумеваемых, касательно точности, полноты или достоверности информации. Никакие параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессы не должны выводиться как представительные того, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, запрашивающие котировки для деталей, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Обратитесь к нашим условиям для получения дополнительной информации.

Дин Макклементс

Дин Макклементс — выпускник с отличием по специальности «Машинное строительство» с более чем двумя десятилетиями опыта в производственной отрасли. Его профессиональный путь включал значимые роли в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Читать другие статьи Дина Макклементса