Razumevanje bioprinta in njegovih aplikacij

Bioprinting, vrsta 3D tiskanje, uporablja celice in druge biološke materiale kot "črnila" za izdelavo 3D bioloških struktur. Bioprinted materiali lahko popravijo poškodovane organe, celice in tkiva v človeškem telesu. V prihodnosti se bo lahko s tiskanjem organov iz nič začelo uporabljati biotiskanje, kar bi lahko spremenilo polje biotiskanja.

Raziskovalci so preučevali bio tisk več različnih vrste celic, vključno z matičnimi celicami, mišičnimi celicami in endotelnimi celicami. Več dejavnikov določa, ali je material mogoče tiskati na biotisk. Prvič, biološki materiali morajo biti biokompatibilni z materiali v črnilu in samim tiskalnikom. Poleg tega na postopek vplivajo tudi mehanske lastnosti natisnjene strukture in čas, ki traja, da organ ali tkivo dozorijo.

Bioinks običajno spadajo v eno od dveh vrst:

• Geli na vodni osnoviali hidrogeli delujejo kot 3D strukture, v katerih lahko uspevajo celice. Hidrogeli, ki vsebujejo celice, so natisnjeni v določene oblike in
  instagram viewer
  polimeri v hidrogelih se združijo ali "zamrežijo", tako da se natisnjeni gel krepi. Ti polimeri so lahko naravni ali sintetični, vendar morajo biti združljivi s celicami.
• Agregati celic ki se po tisku spontano zlijejo v tkiva.

Postopek bio tiskanja ima veliko podobnosti s postopkom 3D tiskanja. Biografsko tiskanje je običajno razdeljeno na naslednje korake:

• Predobdelava: Pripravljen je 3D-model, ki temelji na digitalni rekonstrukciji organa ali tkiva, ki ga je treba natisniti. To rekonstrukcijo lahko ustvarite na podlagi posnetkov, ki so neinvazivno posneti (npr. Z an MRI) ali z bolj invazivnim postopkom, kot je niz dvodimenzionalnih rezin, posnetih z rentgenskimi žarki.
• Obravnavati: Tkivo ali organ, ki temelji na 3D modelu v fazi predhodne obdelave, se natisne. Tako kot pri drugih vrstah 3D-tiskanja se tudi za tiskanje gradiva sloji materiala zaporedno seštevajo.
• Naknadna obdelava: Izvedejo se potrebni postopki za pretvorbo tiska v funkcijski organ ali tkivo. Ti postopki lahko vključujejo polaganje odtisa v posebno komoro, ki pomaga celicam, da pravilno in hitreje dozorijo.

Kot pri drugih vrstah 3D-tiskanja je mogoče tudi bioinks natisniti na različne načine. Vsaka metoda ima svoje posebne prednosti in slabosti.

• Bio tisk na osnovi brizgalnega tiskalnika deluje podobno kot pisarniški brizgalni tiskalnik. Ko je tiskano oblikovanje s tiskalnim brizgalnim tiskalnikom, se črnilo spušča skozi številne drobne šobe na papir. Tako nastane slika iz številnih kapljic, ki so tako majhne, ​​da niso vidne očesu. Raziskovalci so prilagajali brizgalni tisk za biotiskanje, vključno z metodami, ki uporabljajo toploto ali vibracije za potiskanje črnila skozi šobe. Ti bioprintarji so cenovno ugodnejši od drugih tehnik, vendar so omejeni na bioinke z nizko viskoznostjo, ki bi lahko omejile vrste materialov, ki jih je mogoče natisniti.
• Z lasersko pomočjobiotisk uporablja laser za premikanje celic iz raztopine na površino z visoko natančnostjo. Laser segreva del raztopine, ustvarja zračni žep in premika celice proti površini. Ker ta tehnika ne zahteva majhnih šob, kot na primer pri tiskanju na osnovi brizgalnih tiskalnikov, je mogoče uporabiti materiale višje viskoznosti, ki skozi šobe ne morejo enostavno teči. Lasersko biološko tiskanje omogoča tudi zelo natančen tisk. Vendar lahko toplota laserja poškoduje natisnjene celice. Poleg tega tehnike ni mogoče enostavno "razširiti" za hitro tiskanje struktur v velikih količinah.
• Biotisk na osnovi ekstruzije uporablja pritisk, da iztisne material iz šobe za ustvarjanje fiksnih oblik. Ta metoda je relativno vsestranska: biomateriale z različnimi viskoznostmi lahko natisnete nastavitev tlaka, čeprav je treba biti previden, saj je večja tlaka večja celice. Biotiskanje na osnovi ekstruzije se verjetno poveča za proizvodnjo, vendar morda ni tako natančno kot druge tehnike.
• Elektropršilo in elektropršni bioprintarji izkoristite električna polja za ustvarjanje kapljic oziroma vlaken. Te metode so lahko do nanometrske natančnosti. Vendar pa uporabljajo zelo visoko napetost, ki je lahko nevarna za celice.

Ker biotiskanje omogoča natančno gradnjo bioloških struktur, lahko tehnika v biomedicini najde veliko uporab. Raziskovalci so z bio-tiskanjem uvedli celice, ki pomagajo popraviti srce po srčnem napadu, pa tudi odlagati celice v ranjeno kožo ali hrustanec. Bioprinting se uporablja za izdelavo srčnih zaklopk za morebitno uporabo pri bolnikih s srčnimi boleznimi, izgradnjo mišičnih in kostnih tkiv ter pomoč pri popravljanju živcev.

Čeprav je treba narediti več dela za določitev uspešnosti teh rezultatov v kliničnem okolju, raziskave kažejo, da bi bilo mogoče s tiskanjem uporabiti za regeneracijo tkiv med operacijo ali po njej poškodba. Bioprintarji bi lahko v prihodnosti omogočili tudi izdelavo celotnih organov, kot so jetra ali srca, pri uporabi pri presaditvah organov.

Nekatere skupine so poleg 3D-tiskanja tudi preučile 4D biopr tisk, ki upošteva četrto dimenzijo časa. 4D biotiskanje temelji na ideji, da se lahko natisnjene 3D strukture sčasoma razvijajo, tudi potem, ko so natisnjene. Strukture lahko tako spremenijo svojo obliko in / ali delovanje, kadar so izpostavljene pravemu dražljaju, kot je vročina. 4D biotiskanje lahko najde uporabo na biomedicinskih območjih, na primer pri ustvarjanju krvnih žil, če izkoristimo, kako se nekateri biološki konstrukti zvijajo in zvijajo.

Čeprav bi biotiskanje lahko pomagalo rešiti veliko življenj v prihodnosti, je treba rešiti številne izzive. Na primer, tiskane strukture so lahko šibke in ne morejo ohraniti svoje oblike, potem ko so prenesene na ustrezno mesto na telesu. Poleg tega so tkiva in organi zapleteni in vsebujejo veliko različnih vrst celic, razporejenih na zelo natančen način. Trenutne tehnologije tiskanja morda ne bodo mogle ponoviti tako zapletenih arhitektur.

Nazadnje so obstoječe tehnike omejene tudi na nekatere vrste materialov, omejen obseg viskoznosti in omejeno natančnost. Vsaka tehnika lahko poškoduje celice in druge materiale, ki jih natisnemo. Ta vprašanja se bodo lotila, ko bodo raziskovalci še naprej razvijali bio-tisk za reševanje vse težjih inženirskih in medicinskih težav.

• Prebijanje, črpanje srčnih celic, ustvarjenih s 3D-tiskalnikom, bi lahko pomagalo bolnikom s srčnim infarktom, Sophie Scott in Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A. in Ozbolat, I. “Bioprinting tehnologija: trenutno najsodobnejši pregled.” Časopis za proizvodno znanost in inženiring, 2014, letn. 136, št. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y., in Xu, F. “4D bio tisk za biomedicinske aplikacije.” Trendi v biotehnologiji, 2016, letn. 34, št. 9, str. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J., in Kim, G. “3D bio tisk in njegove in vivo aplikacije.” Časopis za raziskave biomedicinskih materialov, 2017, letn. 106, št. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G., in Markwald, P. “Tiskanje organov: računalniško podprto s pomočjo curka na osnovi 3D tkiv.” Trendi v biotehnologiji, 2003, letn. 21, št. 4, pp. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S. in Atala, A. “3D biotiskanje tkiv in organov.” Naravna biotehnologija, 2014, letn. 32, št. 8, str. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A., in Yoo, J. "Bioprinting tehnologija in njene uporabe." Evropski časopis za kardio-torakalno kirurgijo, 2014, letn. 46, št. 3, str. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sonce, W. in Lal, P. “Nedavni razvoj na področju računalniško podprtega tkivnega inženiringa - pregled.” Računalniške metode in programi v biomedicini, vol. 67, št. 2, pp. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.