A bionyomtatás és alkalmazásának megértése

Bionyomtatás, egyfajta 3D nyomtatás, sejteket és más biológiai anyagokat használ „tintákként” 3D biológiai szerkezetek előállításához. Az biológiailag nyomtatott anyagok javíthatják az emberi test sérült szerveit, sejtjeit és szöveteit. A jövőben az bionyomtatás felhasználható az egész szervnek a semmiből történő felépítésére - ez a lehetőség megváltoztathatja az bionyomtatás mezőjét.

A kutatók sokféle bionyomtatást vizsgáltak meg sejttípusok, beleértve az őssejteket, az izomsejteket és az endotélsejteket. Számos tényező határozza meg, hogy egy anyag biológiai nyomtatható-e vagy sem. Először, a biológiai anyagoknak biokompatibilisnek kell lenniük a tinta és a nyomtató anyagával. Ezenkívül a nyomtatott szerkezet mechanikai tulajdonságai, valamint a szerv vagy szövet éréséhez szükséges idő is befolyásolják a folyamatot.

A bioink általában két típusba sorolhatók:

• Víz alapú gélekA hidrogélek 3D struktúrákként működnek, amelyekben a sejtek virágzhatnak. A sejteket tartalmazó hidrogéleket meghatározott alakba nyomtatják, és a
  instagram viewer
  polimerek A hidrogélek össze vannak kötve vagy "térhálósodva", hogy a nyomtatott gél erősebbé váljon. Ezek a polimerek természetesen származhatnak vagy szintetikusak, de összeegyeztethetőknek kell lenniük a sejtekkel.
• A sejtek aggregátumai amelyek nyomtatás után spontán módon összeolvadnak szövetekben.

Az bionyomtatási folyamatnak sok hasonlósága van a 3D nyomtatási eljárásnak. Az bionyomtatás általában a következő lépésekre oszlik:

• Előfeldolgozás: Elkészítünk egy 3D-s modellt, amely a biológiailag nyomtatandó szerv vagy szövet digitális rekonstrukcióján alapul. Ez a rekonstrukció neminvazív módon (például egy MRI) vagy egy invazívabb eljárással, például kétdimenziós szeletek sorozatával, röntgenfelvételekkel.
• Feldolgozás: Az előfeldolgozási szakaszban a 3D modell alapján szövet vagy szerv kerül kinyomtatásra. A többi 3D nyomtatáshoz hasonlóan, az anyag rétegeit egymás után összerakják az anyag kinyomtatása érdekében.
• utófeldolgozás: A nyomtatás funkcionális szervré vagy szövetté történő átalakításához szükséges eljárásokat hajtják végre. Ezek az eljárások magukban foglalhatják a nyomatok egy speciális kamrába helyezését, amely segít a sejtek megfelelő és gyorsabb érésében.

A többi 3D nyomtatáshoz hasonlóan, a bioink is különféle módon nyomtathatók. Mindegyik módszernek megvannak a maga előnyei és hátrányai.

• Tintasugaras alapú bionyomtatás hasonlóan működik, mint egy irodai tintasugaras nyomtató. Amikor egy mintát tintasugaras nyomtatóval nyomtatnak, a tinta sok apró fúvókán keresztül kerül a papírra. Ez sok olyan cseppecskéből készít képet, amely olyan kicsi, hogy nem láthatók a szemmel. A kutatók adaptálták a tintasugaras nyomtatást az bionyomtatáshoz, ideértve azokat a módszereket is, amelyek hőt vagy vibrációt használnak a tinta átjuttatásához a fúvókákon. Ezek a bionyomtatók megfizethetőbbek, mint más technológiák, de az alacsony viszkozitású bioinkra korlátozódnak, amelyek viszont korlátozhatják a nyomtatható anyagok típusát.
• Lézerrel támogatottbioprinting lézer segítségével mozgatja a sejteket az oldatból nagy pontossággal a felületre. A lézer felmelegíti az oldat egy részét, létrehozva egy légzsákot, és a sejteket egy felület felé tolja el. Mivel ez a technika nem igényel kisméretű fúvókákat, mint például a tintasugaras alapú bionyomtatás, ezért nagyobb viszkozitású anyagokat lehet használni, amelyek nem tudnak könnyen átfolyni a fúvókákon. A lézeres bionyomtatás lehetővé teszi a nagyon nagy pontosságú nyomtatást is. A lézer által kibocsátott hő azonban károsíthatja a nyomtatandó sejteket. Ezenkívül a technikát nem lehet könnyen "méretezni", hogy nagy mennyiségben gyorsan kinyomtassák a szerkezeteket.
• Extrudálás-alapú bionyomtatás nyomást alkalmaz az anyag fúvókából történő kiszorítására, hogy rögzített formákat hozzon létre. Ez a módszer viszonylag sokrétű: a különböző viszkozitású biomatermékeket a a nyomás beállításával, bár vigyázni kell, mivel a nagyobb nyomás nagyobb valószínűséggel károsítja a sejtekben. Az extrudáláson alapuló bionyomtatás valószínűleg méretezhető a gyártás során, de lehet, hogy nem olyan pontos, mint más technikák.
• Elektrospray és elektrospinning bioprinter használjon elektromos mezőket cseppek vagy szálak létrehozására. Ezeknek a módszereknek akár nanométeres pontossága is lehet. Ugyanakkor nagyon magas feszültséget használnak, ami a sejtek számára nem biztonságos.

Mivel a bionyomtatás lehetővé teszi a biológiai struktúrák pontos felépítését, a technika számos felhasználást igényelhet a biomedicinában. A kutatók bionyomtatást alkalmaztak a sejtek bevezetésére, hogy megkönnyítsék a szívet a szívroham után, és a sejteket a sebesült bőrbe vagy porcba helyezzék. A bionyomtatást szívszelepek elkészítésére használják szívbetegségben szenvedő betegek esetleges felhasználására, izom- és csontszövetek felépítésére és az idegek helyreállítására.

Bár még több munkát kell elvégezni annak meghatározására, hogy ezek az eredmények miként teljesítenek klinikai körülmények között, a kutatások azt mutatják, hogy a bionyomtatás felhasználható a szövetek regenerálódásának elősegítésére műtét során vagy azt követően sérülés. A bionyomatok a jövőben lehetővé tehetik a teljes szervek, például máj vagy szív előállítását a semmiből, és felhasználhatják szervátültetésekben.

A 3D-s bionyomtatás mellett néhány csoport megvizsgálta a 4D-s bionyomtatást is, amely figyelembe veszi az idő negyedik dimenzióját. A 4D bionyomtatás azon az elképzelésen alapul, hogy a nyomtatott 3D-s struktúrák az idő múlásával tovább fejlődhetnek, még azok nyomtatása után is. A struktúrák így megváltoztathatják alakjukat és / vagy funkciójukat, amikor a megfelelő ingernek vannak kitéve, mint például a hő. A 4D bionyomtatás alkalmazható orvosbiológiai területeken, például az érrendszer kialakításában azáltal, hogy kihasználják azt, hogy egyes biológiai konstrukciók miként hajlanak és gördülnek össze.

Noha a bionyomtatás sok életet menthetne a jövőben, számos kihívással kell még foglalkozni. Például a nyomtatott struktúrák gyengék lehetnek és nem képesek megtartani alakjukat, miután a test megfelelő helyére vitték őket. Ezenkívül a szövetek és a szervek összetettek, és számos különféle sejtet tartalmaznak, nagyon pontos módon elrendezve. A jelenlegi nyomtatási technológiák valószínűleg nem képesek replikálni az ilyen bonyolult architektúrákat.

Végül a meglévő technikák bizonyos típusú anyagokra, korlátozott viszkozitási tartományra és korlátozott pontosságra is korlátozódnak. Valamennyi technika károsíthatja a nyomtatandó cellákat és egyéb anyagokat. Ezekkel a kérdésekkel foglalkozni fognak, mivel a kutatók tovább fejlesztik az bionyomtatást az egyre nehezebb mérnöki és orvosi problémák kezelése érdekében.

• A 3D-s nyomtatóval előállított szívsejtek verése, szivattyúzása segíthet a szívrohamban szenvedő betegeknek, Sophie Scott és Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A. és Ozbolat, I. “Bionyomtatási technológia: Jelenlegi korszerű áttekintés.” Gyártási Tudományos és Műszaki Folyóirat, 2014, vol. 136, no. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. és Xu, F. “4D bionyomtatás orvosbiológiai alkalmazásokhoz.” A biotechnológia trendei, 2016, vol. 34, nem 9. o. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. és Kim, G. “3D bionyomtatás és in vivo alkalmazásai.” Biomedical Materials Research Journal, 2017, vol. 106. szám, nem 1, doi: 10 1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G. és Markwald, P. “Szervnyomás: számítógépes sugárhajtású 3D-s szövettechnika.” A biotechnológia trendei, 2003, vol. 21., nem 4. o. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S. és Atala, A. “Szövetek és szervek 3D-s bionyomtatása.” Természet biotechnológia, 2014, vol. 32., nem 8. o. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. és Yoo, J. "Bioprint technológia és alkalmazásai." A Cardio-Thoracic Surgery European Journal, 2014, vol. 46, nem 3. o. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. és Lal, P. “A számítógépes szövettechnika legújabb fejlesztése - áttekintés.” Számítógépes módszerek és programok az orvosbiológiában, vol. 67, nem 2. o. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.