V rámci významného pokroku v technike 3D biotlače boli bunky a tkanivá vytvorené tak, aby sa správali ako vo svojom prirodzenom prostredí, aby vytvorili „skutočné“ biologické štruktúry.
3D tlač je postup, pri ktorom sa materiál spája, a tak sa spája alebo tuhne pod digitálnou kontrolou počítača, aby sa vytvoril trojrozmerný objekt alebo entita. Rapid Prototyping a Additive Manufacturing sú ďalšie termíny používané na opis tejto techniky vytvárania zložitých objektov alebo entít vrstvením materiálu a postupným budovaním – alebo jednoducho „aditívna“ metóda. Táto pozoruhodná technológia existuje už tri desaťročia po tom, čo bola oficiálne objavená v roku 1987, len nedávno sa dostala do centra pozornosti a popularity, pretože nie je len prostriedkom na výrobu prototypov, ale ponúka plnohodnotné funkčné komponenty. Takýto je potenciál možností 3D tlače, ktorý je v súčasnosti hnacím motorom veľkých inovácií v mnohých oblastiach vrátane strojárstva, výroby a medicíny.
K dispozícii sú rôzne typy aditívnych výrobných metód, ktoré sledujú rovnaké kroky na dosiahnutie konečného konečného výsledku. V prvom rozhodujúcom kroku sa vytvorí dizajn pomocou softvéru CAD (Computer-Aided-Design) na počítači – nazývaného digitálny plán. Tento softvér dokáže predpovedať, ako bude výsledná štruktúra vyzerať a tiež sa správať, preto je tento prvý krok nevyhnutný pre dobrý výsledok. Tento CAD návrh sa potom prevedie do technického formátu (nazývaného súbor .stl alebo štandardný teselačný jazyk), ktorý je potrebný na to, aby 3D tlačiareň dokázala interpretovať pokyny návrhu. Ďalej je potrebné nastaviť 3D tlačiareň (podobne ako bežnú, domácu alebo kancelársku 2D tlačiareň) pre skutočnú tlač – to zahŕňa konfiguráciu veľkosti a orientácie, výber tlače na šírku alebo výšku, naplnenie kaziet do tlačiarne správnym práškom. . The 3D tlačiareň potom sa spustí proces tlače, pričom sa postupne vytvára dizajn po jednej mikroskopickej vrstve materiálu. Táto vrstva má zvyčajne hrúbku okolo 0.1 mm, hoci ju možno prispôsobiť tak, aby vyhovovala konkrétnemu predmetu, ktorý sa tlačí. Celý postup je väčšinou automatizovaný a nie je potrebný žiadny fyzický zásah, iba pravidelné kontroly na zabezpečenie správnej funkčnosti. Dokončenie konkrétneho objektu trvá niekoľko hodín až dní v závislosti od veľkosti a zložitosti návrhu. Ďalej, keďže ide o „aditívnu“ metodiku, je ekonomická, ekologická (bez plytvania) a tiež poskytuje oveľa väčší priestor pre dizajn.
Ďalšia úroveň: 3D biotlač
Biotlač je rozšírením tradičnej 3D tlače s najnovšími pokrokmi, ktoré umožňujú aplikovať 3D tlač na biologické živé materiály. Zatiaľ čo 3D atramentová tlač sa už používa na vývoj a výrobu pokročilých lekárskych zariadení a nástrojov, je potrebné vyvinúť ďalší krok na tlač, zobrazenie a pochopenie biologických molekúl. Zásadným rozdielom je, že na rozdiel od atramentovej tlače je biotlač založená na bioatramente, ktorý sa skladá zo štruktúr živých buniek. Takže pri biotlači, keď je zadaný konkrétny digitálny model, sa vytlačí špecifické živé tkanivo a vytvorí sa vrstva po bunkovej vrstve. Vzhľadom na vysoko komplexné bunkové zložky živého tela, 3D biotlač napreduje pomaly a zložitosti, ako je výber materiálov, buniek, faktorov, tkanív, predstavujú ďalšie procedurálne výzvy. Tieto zložitosti možno riešiť rozšírením porozumenia integráciou technológií z interdisciplinárnych oblastí, napr. biológie, fyziky a medicíny.
Veľký pokrok v biotlači
V štúdii publikovanej v Pokročilé funkčné materiály, výskumníci vyvinuli techniku 3D biotlače, ktorá využíva bunky a molekuly bežne sa vyskytujúce v prirodzených tkanivách (ich prirodzenom prostredí) na vytváranie konštruktov alebo vzorov, ktoré sa podobajú „skutočným“ biologickým štruktúram. Táto konkrétna technika biotlače kombinuje „molekulárne samozostavenie“ s „3D tlačou“ na vytvorenie zložitých biomolekulárnych štruktúr. Molekulárne samousporiadanie je proces, pri ktorom molekuly samy prijímajú definované usporiadanie na vykonávanie špecifickej úlohy. Táto technika integruje „mikro- a makroskopickú kontrolu štrukturálnych prvkov“, ktorú „3D tlač“ poskytuje, s „kontrolou v molekulárnej a nanoúrovni“, ktorú umožňuje „samoorganizácia molekúl“. Využíva silu molekulárneho samousporiadania na stimuláciu buniek, ktoré sa tlačia, čo je inak obmedzenie pri 3D tlači, keď bežný „3D tlačový atrament“ na to neposkytuje tento prostriedok.
Výskumníci „zabudovali“ štruktúry do „bio atramentu“, ktorý je podobný ich prirodzenému prostrediu v tele, vďaka čomu sa štruktúry správajú tak, ako by sa správali v tele. Tento bioatrament, nazývaný aj samouskladňujúci atrament, pomáha kontrolovať alebo modulovať chemické a fyzikálne vlastnosti počas tlače a po nej, čo potom umožňuje zodpovedajúcim spôsobom stimulovať správanie buniek. Jedinečný mechanizmus pri aplikácii biotlač nám umožňuje pozorovať, ako tieto bunky fungujú vo svojom prostredí, čím nám poskytuje snímku a pochopenie skutočného biologického scenára. Zvyšuje možnosť budovania 3D biologických štruktúr vytlačením viacerých typov biomolekúl schopných zostaviť sa do dobre definovaných štruktúr vo viacerých mierkach.
Budúcnosť je veľmi nádejná!
Výskum biotlače sa už používa na vytváranie rôznych typov tkanív, a preto môže byť veľmi dôležitý pre tkanivové inžinierstvo a regeneratívnu medicínu pri riešení potreby tkanív a orgánov vhodných na transplantáciu – koža, kosť, štepy, srdcové tkanivo atď. otvára širokú škálu možností na navrhovanie a vytváranie biologických scenárov, ako sú zložité a špecifické bunkové prostredia, ktoré umožňujú prosperitu tkanivového inžinierstva skutočným vytváraním objektov alebo konštrukcií – pod digitálnou kontrolou a s molekulárnou presnosťou –, ktoré sa podobajú alebo napodobňujú tkanivá v tele. Modely živých tkanív, kostí, krvných ciev a potenciálne aj celých orgánov je možné vytvoriť pre lekárske postupy, školenia, testovanie, výskum a iniciatívy na objavovanie liekov. Veľmi špecifická generácia prispôsobených konštruktov špecifických pre pacienta môže pomôcť pri navrhovaní presnej, cielenej a personalizovanej liečby.
Jednou z najväčších prekážok biotlače a 3D atramentovej tlače vo všeobecnosti bol vývoj pokročilého, sofistikovaného softvéru, ktorý by splnil výzvu v prvom kroku tlače – vytvorenie vhodného dizajnu alebo plánu. Napríklad plán neživých predmetov sa dá vytvoriť ľahko, ale pokiaľ ide o vytváranie digitálnych modelov, povedzme pečene alebo srdca, je to náročné a nie jednoduché ako väčšina hmotných predmetov. Biotlač má rozhodne množstvo výhod – presné ovládanie, opakovateľnosť a individuálny dizajn, no stále je sužovaná niekoľkými výzvami – najdôležitejšou je zahrnutie viacerých typov buniek do priestorovej štruktúry, pretože životné prostredie je dynamické a nie statické. Táto štúdia prispela k pokroku 3D biotlač a mnohé prekážky je možné odstrániť dodržiavaním ich zásad. Je zrejmé, že skutočný úspech biotlače má niekoľko aspektov. Najdôležitejším aspektom, ktorý môže podporiť biotlač, je vývoj relevantných a vhodných biomateriálov, zvýšenie rozlíšenia tlače a tiež vaskularizácia, aby bolo možné túto technológiu úspešne klinicky aplikovať. Zdá sa nemožné „vytvoriť“ plne funkčné a životaschopné orgány pre ľudskú transplantáciu biotlačou, no napriek tomu táto oblasť rýchlo napreduje a v popredí je už za pár rokov veľa vývoja. Malo by byť dosiahnuteľné prekonať väčšinu výziev spojených s biotlačou, pretože výskumníci a biomedicínski inžinieri sú už na ceste k úspešnej komplexnej biotlači.
Niektoré problémy s biotlačou
Kritický bod vznesený v oblasti biotlač je, že v tejto fáze je takmer nemožné otestovať účinnosť a bezpečnosť akejkoľvek biologickej „personalizovanej“ liečby ponúkanej pacientom pomocou tejto techniky. Tiež náklady spojené s takýmito úpravami sú veľkým problémom, najmä pokiaľ ide o výrobu. Aj keď je veľmi možné vyvinúť funkčné orgány, ktoré dokážu nahradiť ľudské orgány, v súčasnosti však neexistuje žiadny spoľahlivý spôsob, ako posúdiť, či telo pacienta prijme nové tkanivo alebo vytvorený umelý orgán a či takéto transplantácie budú úspešné. všetky.
Bioprinting je rastúci trh a bude sa zameriavať na vývoj tkanív a orgánov a možno o niekoľko desaťročí budú vidieť nové výsledky v 3D tlačených ľudských orgánoch a transplantáty. 3D biotlač bude aj naďalej najdôležitejším a najdôležitejším medicínskym vývojom nášho života.
***
Zdroj (e)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamicky riadené hierarchické samozostavenie peptidovo-proteínových bioinklov. Pokročilé funkčné materiály. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
