In 'n groot vooruitgang in 3D-biodruktegniek, is selle en weefsels geskep om in hul natuurlike omgewing op te tree om 'regte' biologiese strukture te konstrueer
3D-drukwerk is 'n prosedure waarin 'n materiaal bymekaar gevoeg en dus verbind of gestol word onder digitale beheer van 'n rekenaar om 'n driedimensionele voorwerp of entiteit te skep. Vinnige Prototipering en Additiewe Vervaardiging is die ander terme wat gebruik word om hierdie tegniek van die skep van komplekse voorwerpe of entiteite deur materiaal te laag en geleidelik op te bou – of bloot 'n 'additiewe' metode – te beskryf. Hierdie merkwaardige tegnologie bestaan al drie dekades nadat dit amptelik in 1987 ontdek is, en dit is eers onlangs in die kollig geplaas en gewild geword as nie net 'n manier om prototipes te vervaardig nie, maar eerder as die aanbied van volwaardige funksionele komponente. Die potensiaal van moontlikhede van 3D -drukwerk is so groot dat dit nou groot innovasies in baie gebiede, insluitend ingenieurswese, vervaardiging en medisyne, dryf.
Verskillende tipes additiewe vervaardigingsmetodes is beskikbaar wat dieselfde stappe volg om die finale eindresultaat te bereik. In die eerste belangrike stap word die ontwerp geskep met behulp van CAD (Rekenaargesteunde Ontwerp) sagteware op 'n rekenaar – 'n digitale bloudruk genoem. Hierdie sagteware kan voorspel hoe die finale struktuur sal lyk en ook sal optree, dus is hierdie eerste stap noodsaaklik vir 'n goeie resultaat. Hierdie CAD-ontwerp word dan omgeskakel na 'n tegniese formaat (genoem 'n .stl-lêer of standaard tessellasietaal) wat nodig is vir die 3D-drukker om instruksies van die ontwerp te kan interpreteer. Vervolgens moet die 3D-drukker opgestel word (soortgelyk aan 'n gewone, tuis- of kantoor 2D-drukker) vir die werklike drukwerk – dit sluit in die konfigurasie van die grootte en oriëntasie, die keuse van landskap- of portretafdrukke, die vul van die drukkerpatrone met die regte poeier. Die 3D-drukker begin dan die drukproses en bou die ontwerp geleidelik op met een mikroskopiese laag van die materiaal op 'n slag. Hierdie laag is tipies ongeveer 0.1 mm dik, hoewel dit aangepas kan word om by 'n spesifieke voorwerp wat gedruk word, te pas. Die hele prosedure is meestal outomaties en geen fisiese ingryping is nodig nie, slegs periodieke kontroles om korrekte funksionaliteit te verseker. 'n Spesifieke voorwerp neem etlike ure tot dae om te voltooi, afhangende van die grootte en kompleksiteit van die ontwerp. Verder, aangesien dit 'n 'additiewe' metodologie is, is dit ekonomies, omgewingsvriendelik (sonder vermorsing) en bied dit ook baie groter ruimte vir ontwerpe.
Die volgende vlak: 3D Bioprinting
Biodrukwerk is 'n uitbreiding van tradisionele 3D-drukwerk, met die onlangse vooruitgang wat dit moontlik maak om 3D-drukwerk op biologiese lewende materiale toe te pas. Terwyl 3D-inkstraaldrukwerk reeds gebruik word om gevorderde mediese toestelle en gereedskap te ontwikkel en te vervaardig, moet 'n stap verder ontwikkel word om biologiese molekules te druk, te besigtig en te verstaan. Die deurslaggewende verskil is dat biodrukwerk, anders as inkstraaldrukwerk, gebaseer is op bio-ink, wat uit lewende selstrukture bestaan. Dus, in biodrukwerk, wanneer 'n spesifieke digitale model ingevoer word, word die spesifieke lewende weefsel gedruk en laag vir sellaag opgebou. As gevolg van die hoogs komplekse sellulêre komponente van die lewende liggaam, vorder 3D-biodrukwerk stadig en kompleksiteite soos die keuse van materiale, selle, faktore en weefsels bied bykomende prosedurele uitdagings. Hierdie kompleksiteite kan aangespreek word deur begrip te verbreed deur tegnologieë uit interdissiplinêre velde, bv. biologie, fisika en medisyne, te integreer.
Groot vordering in biodruk
In 'n studie gepubliseer in Advanced Functional Materials , het navorsers 'n 3D-biodruktegniek ontwikkel wat selle en molekules wat normaalweg in natuurlike weefsels (hul natuurlike omgewing) voorkom, gebruik om konstrukte of ontwerpe te skep wat soos 'regte' biologiese strukture lyk. Hierdie spesifieke biodruktegniek kombineer 'molekulêre selfsamestelling' met '3D-drukwerk' om komplekse biomolekulêre strukture te skep. Molekulêre selfsamestelling is 'n proses waardeur molekules 'n gedefinieerde rangskikking op hul eie aanneem om 'n spesifieke taak uit te voer. Hierdie tegniek integreer 'mikro- en makroskopiese beheer van strukturele kenmerke' wat '3D-drukwerk' bied met die 'molekulêre en nanoskaalbeheer' wat deur 'molekulêre selfsamestelling' moontlik gemaak word. Dit gebruik die krag van molekulêre selfsamestelling om die selle wat gedruk word, te stimuleer, wat andersins 'n beperking in 3D-drukwerk is wanneer gewone '3D-drukink' nie hierdie middel hiervoor bied nie.
Navorsers het strukture in 'bio-ink' "ingebed", wat soortgelyk is aan hul oorspronklike omgewing binne die liggaam, wat die strukture laat optree soos hulle in die liggaam sou. Hierdie bio-ink, ook genoem die selfassemblerende ink, help om chemiese en fisiese eienskappe tydens en na die drukwerk te beheer of te moduleer, wat dan die selgedrag dienooreenkomstig stimuleer. Die unieke meganisme, wanneer dit op biodrukwerk toegepas word , stel ons in staat om waarnemings te maak oor hoe hierdie selle binne hul omgewings werk, wat ons 'n momentopname en begrip van die werklike biologiese scenario gee. Dit verhoog die moontlikheid om 3D-biologiese strukture te bou deur verskeie tipes biomolekules te druk wat in staat is om in goed gedefinieerde strukture op verskeie skale te saamstel.
Die toekoms is baie hoopvol!
Biodruknavorsing word reeds gebruik om verskillende tipes weefsel te genereer en kan dus baie belangrik wees vir weefselingenieurswese en regeneratiewe medisyne om die behoefte aan weefsels en organe wat geskik is vir oorplanting aan te spreek – vel, been, oorplantings, hartweefsel, ens. Verder, die tegniek maak 'n wye verskeidenheid moontlikhede oop om biologiese scenario's soos komplekse en spesifieke selomgewings te ontwerp en te skep om welvaart van weefselingenieurswese moontlik te maak deur werklik voorwerpe of konstrukte te skep - onder digitale beheer en met molekulêre presisie - wat lyk soos weefsels in die liggaam of naboots. Die lewende weefsel, been, bloedvate en potensiële en hele organe modelle is moontlik om te skep vir mediese prosedures, opleiding, toetsing, navorsing en dwelm ontdekking inisiatiewe. Baie spesifieke generasie van pasgemaakte pasiënt-spesifieke konstrukte kan help met die ontwerp van akkurate, geteikende en persoonlike behandelings.
Een van die grootste struikelblokke vir biodrukwerk en 3D-inkstraaldrukwerk in die algemeen was die ontwikkeling van gevorderde, gesofistikeerde sagteware om die uitdaging van die eerste stap van drukwerk die hoof te bied – die skep van 'n gepaste ontwerp of bloudruk. Die bloudruk van nie-lewende voorwerpe kan byvoorbeeld maklik geskep word, maar wanneer dit kom by die skep van digitale modelle van byvoorbeeld 'n lewer of hart, is dit uitdagend en nie eenvoudig soos die meeste materiële voorwerpe nie. Biodrukwerk het beslis talle voordele – presiese beheer, herhaalbaarheid en individuele ontwerp, maar word steeds geteister deur verskeie uitdagings – die belangrikste een is die insluiting van verskeie seltipes in 'n ruimtelike struktuur, aangesien 'n lewende omgewing dinamies en nie staties is nie. Hierdie studie het bygedra tot die bevordering van 3D-biodrukwerk en baie struikelblokke kan verwyder word deur hul beginsels te volg. Dit is duidelik dat die werklike sukses van biodrukwerk verskeie fasette daaraan verbonde het. Die belangrikste aspek wat biodrukwerk kan bemagtig, is die ontwikkeling van relevante en gepaste biomateriale, verbetering van die resolusie van die drukwerk en ook vaskularisering om hierdie tegnologie suksesvol klinies toe te pas. Dit lyk onmoontlik om ten volle funksionele en lewensvatbare organe vir menslike oorplantings deur biodrukwerk te "skep", maar nietemin vorder hierdie veld vinnig en baie ontwikkelings is nou op die voorpunt oor net 'n paar jaar. Dit behoort haalbaar te wees om die meeste van die uitdagings verbonde aan biodrukwerk te oorkom, aangesien navorsers en biomediese ingenieurs reeds op die pad is na suksesvolle komplekse biodrukwerk.
Sommige probleme met Bioprinting
'n Kritieke punt wat op die gebied van biodrukwerk geopper is , is dat dit op hierdie stadium byna onmoontlik is om die doeltreffendheid en veiligheid van enige biologiese 'gepersonaliseerde' behandelings wat aan pasiënte aangebied word met behulp van hierdie tegniek te toets. Ook die koste verbonde aan sulke behandelings is 'n groot kwessie, veral waar vervaardiging betref. Alhoewel dit baie moontlik is om funksionele organe te ontwikkel wat menslike organe kan vervang, is daar tans geen onfeilbare manier om te bepaal of die pasiënt se liggaam nuwe weefsel of die kunsmatige orgaan wat gegenereer word, sal aanvaar en of sulke oorplantings hoegenaamd suksesvol sal wees nie.
Biodrukwerk is 'n groeiende mark en sal fokus op die ontwikkeling van weefsels en organe, en miskien sal nuwe uitkomste oor 'n paar dekades gesien word in 3D-gedrukte menslike organe en oorplantings . 3D- biodrukwerk sal steeds die belangrikste en mees relevante mediese ontwikkeling van ons leeftyd wees.
***
Bronne)
Hedegaard CL 2018. Hidrodinamies Begeleide Hiërargiese Selfsamestelling van Peptied-Proteïen Bioink. Gevorderde Funksionele Materiale . https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
