Что такое биопечать?

Биопечать, вид 3D-печати, использует клетки и другие биологические материалы в качестве «чернил» для изготовления 3D-биологических структур. Материалы с биопечатью могут восстанавливать поврежденные органы, клетки и ткани человеческого тела. В будущем биопечать можно будет использовать для создания целых органов с нуля, что может трансформировать сферу биопечати. ​​

Материалы, на которых можно создавать биопечать

Исследователи изучили биопринтинг многих различных типов клеток, включая стволовые клетки, мышечные клетки и эндотелиальные клетки. Несколько факторов определяют, можно ли биопечать на материале. Во-первых, биологические материалы должны быть биосовместимы с материалами чернил и самого принтера. Кроме того, механические свойства напечатанной структуры, а также время, необходимое для созревания органа или ткани, также влияют на процесс.

Биоинки обычно делятся на два типа:

  • Гели на водной основе , или гидрогели, действуют как трехмерные структуры, в которых клетки могут процветать. Гидрогели, содержащие клетки, печатают в определенных формах, а полимеры в гидрогелях соединяются вместе или «сшиваются», так что отпечатанный гель становится прочнее. Эти полимеры могут быть природного происхождения или синтетическими, но должны быть совместимы с клетками.
  • Совокупность клеток , которые спонтанно сливаются в ткани после печати. ​​

Как работает биопечать

Процесс биопечати во многом похож на процесс 3D-печати. Биопечать обычно делится на следующие этапы:

  • Предварительная обработка : 3D-модель на основе цифрового подготавливается реконструкция органа или ткани для биопечати. Эта реконструкция может быть создана на основе изображений, полученных неинвазивным способом (например, с помощью МРТ) или с помощью более инвазивного процесса, такого как серия двумерных срезов, отображаемых с помощью рентгеновских лучей.
  • Обработка : печатается ткань или орган, основанные на 3D-модели на этапе предварительной обработки. Как и в других типах 3D-печати, слои материала последовательно складываются вместе, чтобы напечатать материал.
  • Постобработка : выполняются необходимые процедуры для преобразования печати в функциональный орган или ткань. Эти процедуры могут включать помещение отпечатка в специальную камеру, которая помогает клеткам созревать должным образом и быстрее.

Типы биопринтеров

Как и в случае с другими типами 3D-печати, биочернила можно напечатать несколькими разными способами. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки.

  • Струйная биопечать действует аналогично офисный струйный принтер. Когда дизайн печатается на струйном принтере, чернила попадают через множество крошечных сопел на бумагу.. Это создает изображение, состоящее из множества капелек, которые настолько малы, что не видны глазу. Исследователи адаптировали струйную печать для биопечати, в том числе методы, использующие тепло или вибрацию для проталкивания чернил через сопла. Эти биопринтеры более доступны по цене, чем другие методы, но ограничиваются биочерками с низкой вязкостью, которые, в свою очередь, могут ограничивать типы материалов, которые могут быть напечатаны.
  • Лазерная поддержка биопечать использует лазер для перемещения клеток из раствора на поверхность с высокой точностью. Лазер нагревает часть раствора, создавая воздушный карман и смещая клетки к поверхности. Поскольку для этого метода не требуются маленькие сопла, как в струйной биопечати, можно использовать материалы с более высокой вязкостью, которые не могут легко проходить через сопла. Биопечать с помощью лазера также позволяет печатать с очень высокой точностью. Однако тепло от лазера может повредить печатаемые ячейки. Кроме того, эту технику нельзя легко «масштабировать» для быстрой печати структур в больших количествах.
  • Биопечать на основе экструзии использует давление для вытеснения материала из сопла для создания фиксированных форм. Этот метод относительно универсален: биоматериалы с разной вязкостью можно печатать, регулируя давление, хотя следует соблюдать осторожность, поскольку более высокое давление с большей вероятностью повредит клетки. Биопечать на основе экструзии, вероятно, можно расширить для производства, но она может быть не такой точной, как другие методы.
  • Биопринтеры с электрораспылением и электроспиннингом используют электрические поля для образуют капли или волокна соответственно. Эти методы могут иметь точность до нанометров. Однако в них используется очень высокое напряжение, которое может быть небезопасным для клеток.

Применение биопечати

Потому что биопечать позволяет точно построить биологические структуры, этот метод может найти множество применений в биомедицине. Исследователи использовали биопечать, чтобы ввести клетки, чтобы помочь восстановить сердце после сердечного приступа, а также отложить клетки в раненую кожу или хрящи. Биопечать использовалась для изготовления сердечных клапанов для возможного использования у пациентов с сердечными заболеваниями, наращивания мышечной и костной ткани и помощи в восстановлении нервов.

Хотя требуется больше работы Исследование показывает, что биопечать может помочь в регенерации тканей во время операции или после травмы, чтобы определить, как эти результаты будут работать в клинических условиях. В будущем с помощью биопринтеров можно будет создавать целые органы, такие как печень или сердце, с нуля и использовать их при трансплантации органов.

4D Bioprinting

Помимо трехмерной биопечати, некоторые группы исследовали также четырехмерную биопечать, которая учитывает четвертое измерение времени.. 4D биопечать основана на идее, что напечатанные трехмерные структуры могут продолжать развиваться с течением времени, даже после того, как они были напечатаны. Таким образом, структуры могут изменить свою форму и/или функцию при воздействии правильного раздражителя, например тепла. 4D биопечать может найти применение в биомедицинских областях, например, в создании кровеносных сосудов за счет того, что некоторые биологические конструкции сворачиваются и скручиваются.

Будущее

Хотя биопечать может помочь спасти множество жизней в будущем, ряд проблем еще предстоит решить. Например, напечатанные структуры могут быть слабыми и неспособными сохранять свою форму после того, как они будут перенесены в соответствующее место на теле. Кроме того, ткани и органы сложны и содержат множество различных типов клеток, расположенных очень точно. Современные технологии печати могут быть не в состоянии воспроизвести такую ​​сложную архитектуру.

Наконец, существующие методы также ограничены определенными типами материалов, ограниченным диапазоном вязкости, и ограниченная точность. Каждый метод может вызвать повреждение ячеек и других печатаемых материалов. Эти вопросы будут решаться по мере того, как исследователи будут продолжать разработку биопечати для решения все более сложных инженерных и медицинских проблем.

Ссылки

  • Избиение и перекачка сердечных клеток, созданных с помощью 3D-принтера, может помочь пациентам с сердечным приступом, Софи Скотт и Ребекка Армитаж, ABC.
  • Dababneh , А., и Озболат, И. «Технология биопечати: обзор современного состояния». Журнал производственной науки и техники , 2014 г., т. 136, нет. 6, doi: 10.1115/1.4028512.
  • Гао, Б., Ян, К., Чжао, X., Цзинь, Г., Ма, Ю. и Сюй Ф. «4D биопечать для биомедицинских приложений». Тенденции в биотехнологии , 2016, т. 34, нет. 9, стр. 746-756, DOI: 10.1016/j.tibtech.2016.03.004.
  • Хонг, Н., Янг, Г., Ли, Дж. И Ким Г. «3D-биопечать и ее приложения in vivo». Журнал исследований биомедицинских материалов , 2017, т. 106, нет. 1, doi: 10.1002/jbm.b.33826.
  • Миронов, В., Боланд, Т., Труск, Т., Форгач, Г., и Марквальд П. «Печать органов: компьютерная струйная 3D-инженерия тканей». Тенденции в биотехнологии , 2003, т. 21, нет. 4, стр. 157-161, DOI: 10.1016/S0167-7799 (03) 00033-7.
  • Мерфи, С., Атала, А. «3D биопечать тканей и органов». Nature Biotechnology , 2014, т. 32, нет. 8, pp. 773-785, doi: 10.1038/nbt.2958.
  • Соль, Ю., Кан, Х., Ли, С., Атала , А. и Ю, Дж. «Технология биопечати и ее приложения». Европейский журнал кардио-торакальной хирургии , 2014, т. 46, нет. 3, pp. 342-348, doi: 10.1093/ejcts/ezu148.
  • Sun, W., and Lal, P. тканевая инженерия – обзор. ” Компьютерные методы и программы в биомедицине , vol. 67, нет. 2, стр. 85-103, DOI: 10.1016/S0169-2607 (01) 00116-X.
Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий