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.
Een van die grootste struikelblokke vir biodrukwerk en 3D-inkjetdrukwerk in die algemeen was die ontwikkeling van 'n gevorderde, gesofistikeerde sagteware om die uitdaging by 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 menigte voordele – presiese beheer, herhaalbaarheid en individuele ontwerp, maar word steeds met verskeie uitdagings geteister – die belangrikste een is die insluiting van veelvuldige seltipes in 'n ruimtelike struktuur aangesien 'n lewende omgewing dinamies en nie staties is nie. Hierdie studie het bygedra tot die bevordering van 3D bioafdruk en baie struikelblokke kan verwyder word deur hul beginsels te volg. Dit is duidelik dat die werklike sukses van biodruk verskeie fasette daaraan verbonde is. Die mees deurslaggewende aspek wat biodrukwerk kan bemagtig is die ontwikkeling van relevante en toepaslike biomateriale, verbetering van die resolusie van die drukwerk en ook vaskularisasie om hierdie tegnologie suksesvol klinies toe te pas. Dit lyk wel of dit onmoontlik is om ten volle funksionerende en lewensvatbare organe vir menslike oorplanting deur biodruk te 'skep', maar nietemin vorder hierdie veld vinnig en baie ontwikkelings is nou op die voorgrond 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 pad is na suksesvolle komplekse biodrukwerk.
Sommige probleme met Bioprinting
N kritieke punt geopper in die veld van bioafdrukke is dat dit in hierdie stadium byna onmoontlik is om die doeltreffendheid en veiligheid te toets van enige biologiese 'gepersonaliseerde' behandelings wat aan pasiënte gebied word wat hierdie tegniek gebruik. Die koste verbonde aan sulke behandelings is ook 'n groot kwessie, veral wat vervaardiging betref. Alhoewel dit baie moontlik is om funksionele organe te ontwikkel wat menslike organe kan vervang, maar selfs dan is daar tans geen dwaas bewys manier om te bepaal of die pasiënt se liggaam nuwe weefsel of die kunsmatige orgaan wat gegenereer sal aanvaar en of sulke oorplantings suksesvol sal wees by almal.
Biodruk 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 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
