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 saamgevoeg word en dus onder digitale beheer van 'n rekenaar saamgevoeg of gestol word 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 skepping van komplekse voorwerpe of entiteite te beskryf deur materiaal te lae en geleidelik op te bou – of bloot 'n 'additiewe' metode. Hierdie merkwaardige tegnologie bestaan al drie dekades nadat dit amptelik in 1987 ontdek is, maar onlangs is dit in die kollig en gewildheid gedryf omdat dit nie net 'n manier is om prototipes te vervaardig nie, maar eerder volwaardige funksionele komponente bied. So is die potensiaal van moontlikhede van 3D drukwerk dat dit nou groot innovasies op baie gebiede dryf, insluitend ingenieurswese, vervaardiging en medisyne.
Verskillende tipes additiewe vervaardigingsmetodes is beskikbaar wat dieselfde stappe volg om die finale eindresultaat te bereik. In die eerste belangrike stap word ontwerp geskep deur gebruik te maak van CAD (Computer-Aided-Design) sagteware op rekenaar – wat 'n digitale bloudruk genoem word. Hierdie sagteware kan voorspel hoe die finale struktuur sal uitdraai en ook optree, dus hierdie eerste stap is noodsaaklik vir 'n goeie resultaat. Hierdie CAD-ontwerp word dan omgeskakel na 'n tegniese formaat (genoem 'n .stl-lêer of standaard tessellasietaal) wat benodig word vir die 3D-drukker om instruksies van ontwerp te kan interpreteer. Vervolgens moet 3D-drukker opgestel word (soortgelyk aan 'n gewone, huis- of kantoor 2D-drukker) vir die werklike drukwerk - dit sluit in die opstel 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 een mikroskopiese laag van die materiaal op 'n slag op. Hierdie laag is tipies ongeveer 0.1 mm dik, alhoewel dit aangepas kan word om te pas by 'n spesifieke voorwerp wat gedruk word. Die hele prosedure is meestal geoutomatiseer en geen fisiese ingryping is nodig nie, slegs periodieke kontroles om korrekte funksionaliteit te verseker. 'n Bepaalde voorwerp neem 'n paar uur tot dae om te voltooi, afhangende van die grootte en kompleksiteit van die ontwerp. Verder, aangesien dit 'n 'additiewe' metodologie is, is dit ekonomies, eko-vriendelik (met geen vermorsing nie) en bied ook baie groter ruimte vir ontwerpe.
Die volgende vlak: 3D Bioprinting
Bioafdrukke is 'n uitbreiding van tradisionele 3D-drukwerk met die onlangse vordering wat dit moontlik maak om 3D-drukwerk op biologiese lewende materiale toegepas te word. Terwyl 3D inkjet-drukwerk reeds gebruik word om gevorderde mediese toestelle en gereedskap te ontwikkel en vervaardig, moet 'n stap verder ontwikkel word om biologiese molekules te druk, te sien en te verstaan. Die deurslaggewende verskil is dat, anders as die inkjet-drukwerk, biodrukwerk 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 biodruking stadig en kompleksiteite soos die keuse van materiale, selle, faktore, weefsels stel bykomende prosedurele uitdagings. Hierdie kompleksiteite kan aangespreek word deur begrip te verbreed deur tegnologieë uit interdissiplinêre velde te integreer, bv. biologie, fisika en medisyne.
Groot vordering in biodruk
In 'n studie gepubliseer in Gevorderde funksionele materiale, het navorsers 'n 3D-biodruktegniek ontwikkel wat selle en molekules gebruik wat normaalweg in natuurlike weefsels (hul eie omgewing) voorkom om konstrukte of ontwerpe te skep wat soos 'regte' biologiese strukture lyk. Hierdie spesifieke biodruktegniek kombineer 'molekulêre self-samestelling' met '3D-druk' 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' verskaf 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 dit in die liggaam sou. Hierdie bio-ink, ook genoem die selfsamestellende ink, help om chemiese en fisiese eienskappe tydens en na die druk te beheer of te moduleer, wat dit dan moontlik maak om selgedrag dienooreenkomstig te stimuleer. Die unieke meganisme wanneer dit toegepas word op bioafdrukke stel ons in staat om waarnemings te maak oor hoe hierdie selle binne hul omgewings werk, waardeur ons 'n momentopname en begrip van werklike biologiese scenario gee. Dit skep die moontlikheid om 3D-biologiese strukture te bou deur verskeie tipes biomolekules te druk wat in staat is om in goed gedefinieerde strukture op veelvuldige skale saam te voeg.
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.
One of the biggest obstacles for bioprinting and 3D inkjet printing in general has been the development of an advanced, sophisticated software to meet the challenge at the first step of printing – creating an appropriate design or blueprint. For instance, the blueprint of non-living objects can be created easily but when it comes to creating digital models of say, a liver or heart, its challenging and not straightforward like most material objects. Bioprinting definitely has multitude advantages – precise control, repeatability and individual design but is still plagued with several challenges – the most important one being inclusion of multiple cell types in a spatial structure since a living environment is dynamic and not static. This study has contributed to advancement of 3D bioafdruk and lot of obstacles can be removed by following their principles. It is clear that the real success of bioprinting has several facets attached to it. The most crucial aspect which can empower bioprinting is development of relevant and appropriate biomaterials, enhancement of the resolution of the printing and also vascularisation to be able to successfully apply this technology clinically. It does seem impossible to ‘create’ fully functioning and viable organs for human transplant by bioprinting but nevertheless this field is progressing fast and plenty of developments are on the forefront now in just a few years. It should be achievable to overcome most of the challenges attached with bioprinting since researchers and biomedical engineers are already on the path to successful complex bioprinting.
Sommige probleme met Bioprinting
A critical point raised in the field of bioafdrukke is that it is almost impossible at this stage to test the efficacy and safety of any biological ‘personalised’ treatments being offered to patients using this technique. Also, costs associated with such treatments is a big issue especially where manufacturing is concerned. Though it is very much possible to develop functional organs that can replace human organs, but even then, currently there is no fool proof way to assess whether the patient’s body will accept new tissue or the artificial organ generated and whether such transplants will be successful at all.
Bioprinting is a growing market and will focus on the development of tissues and organs and maybe in a few decades new outcomes would be seen in 3D printed human organs and oorplantings. 3D bioafdrukke sal voortgaan om die belangrikste en relevante mediese ontwikkeling van ons leeftyd te wees.
***
{Jy kan die oorspronklike navorsingsartikel lees deur die DOI-skakel wat hieronder gegee word in die lys van aangehaalde bronne te klik}
Bronne)
Hedegaard CL 2018. Hidrodinamies Begeleide Hiërargiese Selfsamestelling van Peptied-Protein Bioinks. Gevorderde funksionele materiale. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
