Razumijevanje bioprinta i njegovih primjena

Biootisak, vrsta 3D ispis, koristi stanice i druge biološke materijale kao "tinte" za izradu 3D bioloških struktura. Bioprimljeni materijali mogu popraviti oštećene organe, stanice i tkiva u ljudskom tijelu. U budućnosti se može s biootiskom stvoriti čitav organ od nule, što bi moglo transformirati polje bio-otiska.

Istraživači su proučavali biotisak mnogih različitih tipovi stanica, uključujući matične stanice, mišićne stanice i endotelne stanice. Nekoliko čimbenika određuje može li se neki materijal otisnuti ili ne. Prvo, biološki materijali moraju biti biokompatibilni s materijalima u tinti i samom pisaču. Uz to, mehanička svojstva tiskane strukture, kao i vrijeme potrebno za sazrijevanje organa ili tkiva, također utječu na proces.

Bioinks obično spada u jednu od dvije vrste:

• Gelovi na vodenoj osnoviili hidrogeli djeluju kao 3D strukture u kojima stanice mogu napredovati. Hidrogeli koji sadrže stanice tiskani su u definirane oblike i polimeri u hidrogelovima su spojeni ili "umreženi" tako da ispisani gel postaje jači. Ti polimeri mogu biti prirodno izvedeni ili sintetički, ali trebaju biti kompatibilni sa stanicama.
  instagram viewer
• Agregati stanica koji se spontano spajaju u tkiva nakon tiskanja.

Proces biootiska ima mnogo sličnosti s postupkom 3D ispisa. Biootisak uglavnom se dijeli na sljedeće korake:

• predobrada: Pripremljen je 3D model koji se temelji na digitalnoj rekonstrukciji organa ili tkiva na koje se bioprimjećuje. Ta se rekonstrukcija može stvoriti na temelju slika snimljenih neinvazivno (npr. S an MR) ili invazivnim postupkom, poput niza dvodimenzionalnih kriški snimljenih s X-zrakama.
• Obrada: Tkivo ili organ koji se temelji na 3D modelu u fazi prethodne obrade ispisuju se. Kao i kod drugih vrsta 3D ispisa, slojevi materijala se uzastopno zbrajaju kako bi se materijal ispisao.
• Naknadna obrada: Provode se potrebni postupci za transformaciju otiska u funkcionalni organ ili tkivo. Ti postupci mogu uključivati ​​stavljanje otiska u posebnu komoru koja pomaže stanicama da pravilno i brže sazrijevaju.

Kao i kod drugih vrsta 3D ispisa, bioinks se može ispisati na više različitih načina. Svaka metoda ima svoje zasebne prednosti i nedostatke.

• Biotisk na bazi inkjet-a djeluje slično kao uredski inkjet pisač. Kada se dizajn ispisuje na tintnom pisaču, tinta se ispušta kroz mnogo sitnih mlaznica na papir. To stvara sliku napravljenu od mnogih kapljica koje su toliko male da nisu vidljive oku. Istraživači su prilagodili tintni tisak za biotisak, uključujući metode koje koriste toplinu ili vibraciju za provlačenje tinte kroz mlaznice. Ti su bioprinteri pristupačniji od ostalih tehnika, ali su ograničeni na bioinkove sa niskom viskoznošću, što bi zauzvrat moglo ograničiti vrste materijala koji se mogu tiskati.
• Laser-pomoćbioprinting koristi laser za premještanje stanica s otopine na površinu s velikom preciznošću. Laser zagrijava dio otopine, stvarajući zračni džep i premještajući stanice prema površini. Budući da ova tehnika ne zahtijeva male mlaznice kao u biotiskanju na bazi tintnih materijala, mogu se koristiti materijali veće viskoznosti, koji ne mogu lako prolaziti kroz mlaznice. Lasersko potpomognuto biootiskanje omogućuje i vrlo precizan tisak. Međutim, toplina lasera može oštetiti stanice koje se ispisuju. Nadalje, tehnika se ne može lako „povećati“ za brzi ispis strukture na velikim količinama.
• Biopr tiskanje na bazi ekstruzije koristi pritisak da istisne materijal iz mlaznice za stvaranje fiksnih oblika. Ova je metoda relativno svestrana: može se tiskati biomaterijal s različitim viskozitetima podešavanje tlaka, iako treba biti oprezan jer je veći pritisak veći Stanice. Bioprimanje na temelju ekstruzije vjerojatno se može povećati za proizvodnju, ali možda nije tako precizno kao ostale tehnike.
• Elektroprimjer i elektrootporni bioprinteri koristite električna polja za stvaranje kapljica, odnosno vlakana. Ove metode mogu imati preciznost do razine nanometra. Međutim, koriste vrlo visok napon, što može biti nesigurno za stanice.

Budući da biootisak omogućuje preciznu izgradnju bioloških struktura, ova tehnika može naći mnogo koristi u biomedicini. Istraživači su pomoću bio-otiska uveli stanice za pomoć u popravljanju srca nakon srčanog udara, kao i deponiranje stanica u ranjenu kožu ili hrskavicu. Bioprinting služi za izradu srčanih zalistaka za moguću upotrebu u bolesnika sa srčanom bolešću, izgradnju mišićnog i koštanog tkiva i pomaže popraviti živce.

Iako je potrebno učiniti više na utvrđivanju uspješnosti ovih rezultata u kliničkim uvjetima, istraživanje pokazuje da se bioprimanje može upotrijebiti za regeneraciju tkiva tijekom operacije ili nakon nje ozljeda. Bioprinteri bi u budućnosti mogli također omogućiti da se čitavi organi poput jetre ili srca izrade od nule i koriste u presađivanju organa.

Osim 3D ispisa, neke su skupine pregledale i 4D bioprimanje, koje uzima u obzir četvrtu dimenziju vremena. 4D biotisak temelji se na ideji da se ispisane 3D strukture mogu nastaviti razvijati s vremenom, čak i nakon što su tiskane. Stoga strukture mogu mijenjati oblik i / ili funkciju ako su izložene pravom stimulansu, poput topline. 4D biotisak može naći uporabu u biomedicinskim područjima, poput izrade krvnih žila, koristeći se na način na koji se neke biološke konstrukcije savijaju i prevrću.

Iako bi biootisak mogao spasiti mnoge živote u budućnosti, brojni izazovi tek se moraju riješiti. Na primjer, otisnute strukture mogu biti slabe i nesposobne zadržati oblik nakon što se prebace na odgovarajuće mjesto na tijelu. Nadalje, tkiva i organi su složeni i sadrže mnogo različitih vrsta stanica raspoređenih na vrlo precizne načine. Trenutačne tehnologije ispisa možda neće moći kopirati takve zamršene arhitekture.

Konačno, postojeće tehnike su također ograničene na određene vrste materijala, ograničen raspon viskoznosti i ograničenu preciznost. Svaka tehnika može uzrokovati oštećenje stanica i ostalih materijala koji se ispisuju. Tim će se pitanjima pozabaviti dok istraživači nastavljaju razvijati biootiske kako bi se borili sa sve težim inženjerskim i medicinskim problemima.

• Prebijanje, crpljenje srčanih stanica generirano pomoću 3D pisača moglo bi pomoći pacijentima s infarktom, Sophie Scott i Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A. i Ozbolat, ja. “Bioprinting tehnologija: Aktualni najsuvremeniji pregled.” Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014, god. 136, br. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y., i Xu, F. “4D biotisak za biomedicinsku primjenu.” Trendovi u biotehnologiji, 2016, god. 34, br. 9, str. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. i Kim, G. “3D biotisak i njegove in vivo aplikacije.” Časopis za istraživanje biomedicinskih materijala, 2017, god. 106, br. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G., and Markwald, P. “Tiskanje orgulja: računalno 3D mlazno tkivo zasnovano na mlazu.” Trendovi u biotehnologiji, 2003, god. 21, br. 4, pp. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S. i Atala, A. “3D bioprimanje tkiva i organa.” Prirodna biotehnologija, 2014, god. 32, br. 8, pp. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. i Yoo, J. "Bioprinting tehnologija i njezine primjene." Europski časopis za kardio-torakalnu kirurgiju, 2014, god. 46, br. 3, str. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. i Lal, P. “Najnoviji razvoj računalnog inženjeringa tkiva - pregled.” Računalne metode i programi u biomedicini, vol. 67, br. 2, str. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.