Pochopenie biotlače a jej aplikácií

Bioprinting, druh 3D tlač, používa bunky a iné biologické materiály ako „atramenty“ na výrobu 3D biologických štruktúr. Biotlačené materiály majú potenciál na opravu poškodených orgánov, buniek a tkanív v ľudskom tele. V budúcnosti sa môže bioprinting použiť na vytvorenie celých orgánov od nuly, čo by mohlo zmeniť oblasť bioprintingu.

Vedci študovali bioprinting mnohých rôznych typy buniek, vrátane kmeňových buniek, svalových buniek a endotelových buniek. Či je alebo nie je možné materiál biotlačiť, určuje niekoľko faktorov. Po prvé, biologické materiály musia byť biokompatibilné s materiálmi v tlačiarni a samotnej tlačiarni. Okrem toho ovplyvňujú proces tiež mechanické vlastnosti tlačenej štruktúry, ako aj čas potrebný na dozretie orgánu alebo tkaniva.

Bioinky zvyčajne spadajú do jedného z dvoch typov:

• Gély na vodnej bázealebo hydrogély, pôsobia ako 3D štruktúry, v ktorých môžu bunky prosperovať. Hydrogély obsahujúce bunky sú vytlačené do definovaných tvarov a
  instagram viewer
  polyméry v hydrogéloch sú spojené alebo „zosieťované“ tak, že potlačený gél sa stáva silnejším. Tieto polyméry môžu byť prirodzene odvodené alebo syntetické, ale mali by byť kompatibilné s bunkami.
• Agregáty buniek ktoré sa spontánne po tlači spoja do tkanív.

Proces biotlače má veľa podobností s procesom 3D tlače. Bioprinting je všeobecne rozdelený do nasledujúcich krokov:

• predspracovania: Pripraví sa 3D model založený na digitálnej rekonštrukcii orgánu alebo tkaniva, ktoré sa má biotlačiť. Táto rekonštrukcia môže byť vytvorená na základe obrázkov nasnímaných neinvazívne (napr. Pomocou MRI) alebo invazívnejším procesom, napríklad radom dvojrozmerných rezov zobrazených röntgenovými lúčmi.
• spracovanie: Vytlačí sa tkanivo alebo orgán na základe 3D modelu v štádiu predbežného spracovania. Rovnako ako v iných typoch 3D tlače sa vrstvy materiálu postupne spájajú, aby sa materiál vytlačil.
• Následné spracovanie: Vykonajú sa potrebné postupy na transformáciu tlače na funkčný orgán alebo tkanivo. Tieto postupy môžu zahŕňať umiestnenie tlače do špeciálnej komory, ktorá pomáha bunkám dozrieť správne a rýchlejšie.

Rovnako ako v prípade iných typov 3D tlače, aj bioinky sa dajú tlačiť niekoľkými rôznymi spôsobmi. Každá metóda má svoje odlišné výhody a nevýhody.

• Biotlač na báze atramentových tlačiarní funguje podobne ako kancelárska atramentová tlačiareň. Ak je dizajn tlačený atramentovou tlačiarňou, je na papier vypustený atrament cez mnoho malých dýz. Takto sa vytvorí obraz z mnohých malých kvapôčok, ktoré nie sú pre oko viditeľné. Vedci prispôsobili atramentovú tlač pre bioprinting, vrátane metód, ktoré používajú teplo alebo vibrácie na tlač atramentu cez dýzy. Tieto bioprintery sú cenovo dostupnejšie ako iné techniky, ale sú obmedzené na bioinke s nízkou viskozitou, čo by mohlo zase obmedziť druhy materiálov, ktoré sa dajú tlačiť.
• Laser-assistedbioprinting používa laser na presun buniek z roztoku na povrch s vysokou presnosťou. Laser zahrieva časť riešenia, vytvára vzduchové vrecko a premiestňuje bunky smerom k povrchu. Pretože táto technika nevyžaduje malé dýzy ako pri bioprinte na báze atramentových tlačiarní, je možné použiť materiály s vyššou viskozitou, ktoré nemôžu ľahko prúdiť dýzami. Laserový biotlač umožňuje aj veľmi presnú tlač. Teplo z lasera však môže poškodiť tlačené bunky. Táto technika sa navyše nedá ľahko zväčšiť, aby sa rýchlo tlačili štruktúry vo veľkých množstvách.
• Biotlač na báze extrúzie používa tlak na vytlačenie materiálu z dýzy na vytvorenie pevných tvarov. Táto metóda je pomerne univerzálna: biomateriály s rôznymi viskozitami sa dajú vytlačiť prispôsobenie tlaku, je však potrebné postupovať opatrne, pretože vyššie tlaky s väčšou pravdepodobnosťou poškodia buniek. Bioprinting na báze extrúzie sa pravdepodobne môže zvýšiť na výrobu, ale nemusí byť taký presný ako iné techniky.
• Elektrospray a elektrospinningové bioprintery využívajú elektrické polia na vytváranie kvapiek alebo vlákien. Tieto metódy môžu mať presnosť až do nanometrov. Využívajú však veľmi vysoké napätie, čo môže byť pre bunky nebezpečné.

Pretože bioprinting umožňuje presnú konštrukciu biologických štruktúr, môže táto technika nájsť v biomedicíne veľa využití. Vedci použili bioprinting na zavedenie buniek na pomoc pri oprave srdca po infarkte a tiež na uloženie buniek do poranenej kože alebo chrupavky. Bioprinting sa používa na výrobu srdcových chlopní na možné použitie u pacientov so srdcovými chorobami, na budovanie svalových a kostných tkanív a na pomoc pri oprave nervov.

Je však potrebné vykonať viac práce s cieľom určiť, ako by sa tieto výsledky mali vykonávať v klinickom prostredí, výskum ukazuje, že bioprinting by sa mohol použiť na regeneráciu tkanív počas chirurgického zákroku alebo po ňom poranenia. Bioprintery by v budúcnosti mohli tiež umožniť, aby sa celé orgány, ako sú pečene alebo srdcia, vyrábali od nuly a použili sa pri transplantáciách orgánov.

Okrem 3D bioprintingu niektoré skupiny preskúmali aj 4D bioprinting, ktorý zohľadňuje štvrtý rozmer času. Biotlač 4D je založená na myšlienke, že tlačené 3D štruktúry sa môžu v priebehu času vyvíjať, dokonca aj po ich vytlačení. Štruktúry môžu teda zmeniť svoj tvar a / alebo funkciu, keď sú vystavené správnemu stimulu, ako je napríklad teplo. Bioprinting 4D môže nájsť uplatnenie v biomedicínskych oblastiach, napríklad pri výrobe krvných ciev využitím výhody, ako sa niektoré biologické konštrukty skladajú a otáčajú.

Aj keď by bioprinting mohol v budúcnosti pomôcť zachrániť veľa životov, ešte stále je potrebné riešiť niekoľko problémov. Napríklad, potlačené štruktúry môžu byť slabé a nemôžu si udržať svoj tvar po prenose na príslušné miesto na tele. Okrem toho sú tkanivá a orgány komplexné a obsahujú veľa rôznych typov buniek usporiadaných veľmi presne. Súčasné technológie tlače nemusia byť schopné replikovať takéto zložité architektúry.

Nakoniec, existujúce techniky sú tiež obmedzené na určité typy materiálov, obmedzený rozsah viskozít a obmedzenú presnosť. Každá technika má potenciál poškodiť bunky a iné tlačené materiály. Týmito otázkami sa bude zaoberať, keďže vedci pokračujú vo vývoji biotlače s cieľom riešiť stále zložitejšie technické a lekárske problémy.

• Bití, pumpovanie srdcových buniek generovaných pomocou 3D tlačiarne by mohlo pacientom so srdcovým infarktom pomôcť, Sophie Scott a Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A. a Ozbolat, I. “Technológia bioprintingu: Súčasná najnovšia revízia.” Vestník výrobnej vedy a techniky, 2014, zv. 136, č. 6, doi: 10,1115 / 1,4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. a Xu, F. “4D bioprinting pre biomedicínske aplikácie.” Trendy v biotechnológii, 2016, zv. 34, č. 9, str. 746-756, doi: 10,016 / j.tibtech.2016.03,004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J., a Kim, G. “3D biotlač a jej aplikácie in vivo.” Žurnál výskumu biomedicínskych materiálov, 2017, zv. 106, č. 1, doi: 10 1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G., a Markwald, P. “Tlač orgánov: počítačom podporované prúdové 3D tkanivové inžinierstvo.” Trendy v biotechnológii, 2003, zv. 21, č. 4, str. 157-161, doi: 10,016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S. a Atala, A. “3D biotlač tkanív a orgánov.” Nature Biotechnology, 2014, zv. 32, č. 8, str. 773 - 785, doi: 10,1038 / nbt 2995.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. a Yoo, J. "Bioprintingová technológia a jej aplikácie." Európsky denník kardio-hrudnej chirurgie, 2014, zv. 46, č. 3, str. 342-348, doi: 10,1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. a Lal, P. “Najnovší vývoj počítačového tkanivového inžinierstva - prehľad.” Počítačové metódy a programy v biomedicíne, zv. 67, č. 2, str. 85-103, doi: 10,016 / S0169-2607 (01) 00116-X.