Понимание биопечати и ее приложений

Биопечать, вид 3D печатьиспользует клетки и другие биологические материалы в качестве «чернил» для изготовления трехмерных биологических структур. Биопечатные материалы способны восстанавливать поврежденные органы, клетки и ткани в организме человека. В будущем биопечать можно использовать для создания целых органов с нуля, что может трансформировать область биопечати.

Исследователи изучили биопечать многих типы клеток, включая стволовые клетки, мышечные клетки и эндотелиальные клетки. Несколько факторов определяют, может ли материал быть напечатан повторно. Во-первых, биологические материалы должны быть биологически совместимы с материалами в чернилах и самим принтером. Кроме того, механические свойства печатной структуры, а также время, необходимое для созревания органа или ткани, также влияют на процесс.

Bioinks обычно делятся на один из двух типов:

• Гели на водной основеили гидрогели, действуют как трехмерные структуры, в которых клетки могут процветать. Гидрогели, содержащие клетки, печатаются в определенные формы, и
  instagram viewer
  полимеры в гидрогелях соединяются вместе или «сшиваются» так, что отпечатанный гель становится более прочным. Эти полимеры могут быть естественными или синтетическими, но должны быть совместимы с клетками.
• Агрегаты клеток которые самопроизвольно сливаются в ткани после печати.

Процесс биопечати имеет много общего с процессом 3D-печати. Биопечать обычно делится на следующие этапы:

• предварительная обработка: Подготовлена ​​трехмерная модель, основанная на цифровой реконструкции органа или ткани, подлежащих биопечати. Эта реконструкция может быть создана на основе изображений, полученных неинвазивно (например, с помощью МРТ) или с помощью более инвазивного процесса, такого как серия двумерных срезов, полученных с помощью рентгеновских лучей.
• обработка: Ткань или орган на основе трехмерной модели на этапе предварительной обработки печатается. Как и в других типах 3D-печати, слои материала последовательно складываются вместе для печати материала.
• Постобработка: Необходимые процедуры выполняются для преобразования отпечатка в функциональный орган или ткань. Эти процедуры могут включать размещение отпечатка в специальной камере, которая помогает клеткам созревать правильно и быстрее.

Как и в других типах 3D-печати, биоинксы могут быть напечатаны несколькими различными способами. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки.

• Струйная биопечать действует аналогично офисному струйному принтеру. Когда дизайн печатается на струйном принтере, чернила пропускаются через множество крошечных сопел на бумагу. Это создает изображение, состоящее из множества мелких капель, которые не видны глазу. Исследователи приспособили струйную печать для биопечати, в том числе методы, в которых используется тепло или вибрация для проталкивания чернил через сопла. Эти биопринтеры являются более доступными по сравнению с другими методами, но ограничены биоиндикациями с низкой вязкостью, что, в свою очередь, может ограничивать типы материалов, которые могут быть напечатаны.
• Лазерная помощьbioprinting использует лазер для перемещения клеток из раствора на поверхность с высокой точностью. Лазер нагревает часть раствора, создавая воздушный карман и смещая ячейки к поверхности. Поскольку для этого метода не требуются маленькие сопла, такие как биопечать на струйной основе, можно использовать материалы с более высокой вязкостью, которые не могут легко проходить через сопла. Лазерная биопечать также обеспечивает очень высокую точность печати. Однако тепло от лазера может повредить печатаемые ячейки. Кроме того, методика не может быть легко «расширена» для быстрой печати структур в больших количествах.
• Экструзионная биопечать использует давление, чтобы вытолкнуть материал из сопла, чтобы создать фиксированные формы. Этот метод относительно универсален: биоматериалы с различной вязкостью могут быть напечатаны регулируя давление, хотя следует соблюдать осторожность, так как более высокие давления с большей вероятностью повредят клетки. Биопечать на основе экструзии, вероятно, можно расширить для производства, но она может быть не такой точной, как другие методы.
• Электрораспыление и электроспиннинг биопринтеров использовать электрические поля для создания капель или волокон, соответственно. Эти методы могут иметь точность до нанометрового уровня. Тем не менее, они используют очень высокое напряжение, которое может быть небезопасным для элементов.

Поскольку биопечать позволяет точно конструировать биологические структуры, этот метод может найти много применений в биомедицине. Исследователи использовали биопечать для введения клеток, чтобы помочь восстановить сердце после сердечного приступа, а также депонировать клетки в раненую кожу или хрящ. Биопринтинг использовался для изготовления клапанов сердца для возможного использования у пациентов с заболеваниями сердца, наращивания мышечной и костной ткани, а также для восстановления нервов.

Хотя необходимо проделать дополнительную работу, чтобы определить, как эти результаты будут работать в клинических условиях, исследования показывают, что биопечать можно использовать для регенерации тканей во время операции или после травмы. В будущем биопринтеры могут также создавать целые органы, такие как печень или сердца, с нуля и использовать их для трансплантации.

В дополнение к трехмерной биопечати, некоторые группы также исследовали 4D биопечать, которая учитывает четвертое измерение времени. Биопечать 4D основана на идее, что напечатанные 3D структуры могут продолжать развиваться со временем, даже после того, как они были напечатаны. Структуры, таким образом, могут изменять свою форму и / или функцию при воздействии правильного раздражителя, такого как тепло. Биопечать 4D может найти применение в биомедицинских областях, таких как создание кровеносных сосудов, используя преимущества того, как некоторые биологические конструкции складываются и катятся.

Хотя биопечать может помочь спасти много жизней в будущем, ряд проблем еще предстоит решить. Например, напечатанные структуры могут быть слабыми и не могут сохранять свою форму после того, как они перенесены в соответствующее место на теле. Кроме того, ткани и органы являются сложными и содержат множество различных типов клеток, расположенных очень точно. Современные технологии печати могут быть не в состоянии воспроизвести такие сложные архитектуры.

Наконец, существующие методы также ограничены определенными типами материалов, ограниченным диапазоном вязкостей и ограниченной точностью. Каждая техника может привести к повреждению клеток и других материалов для печати. Эти вопросы будут решаться по мере того, как исследователи будут продолжать разрабатывать биопечать для решения все более сложных инженерных и медицинских проблем.

• Удар, прокачка сердечных клеток, генерируемых с помощью 3D-принтера, может помочь пациентам с сердечным приступом, Sophie Scott и Rebecca Armitage, ABC.
• Дабабнех А. и Озболат И. “Технология биопечати: современный обзор.” Журнал производственной науки и техники, 2014, том. 136, нет. 6, doi: 10,1115 / 1,4028512.
• Гао Б., Ян, Q., Чжао X., Цзинь Г., Ма, Ю. и Сюй Ф. “4D биопечать для биомедицинских применений.” Тенденции в биотехнологии, 2016, том. 34, нет 9, с. 746-756, дои: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Хонг Н., Янг Г., Ли Дж. И Ким Г. “3D биопечать и ее применение в естественных условиях.” Журнал исследований биомедицинских материалов, 2017, том. 106, нет. 1, дои: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Миронов В., Боланд Т., Труск Т., Форгакс Г. и Марквальд П. “Органная печать: компьютерная струйная трехмерная тканевая инженерия.” Тенденции в биотехнологии2003, вып. 21, нет. 4, с. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Мерфи С. и Атала А. “3D биопечать тканей и органов.” Биотехнология природы, 2014, том. 32, нет 8, с. 773-785, дои: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. и Yoo, J. "Технология биопечати и ее применение." Европейский журнал кардиоторакальной хирургии, 2014, том. 46, нет. 3, с. 342-348, дои: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Сун В. и Лал П. “Последние разработки в области компьютерной инженерии тканей - обзор.” Компьютерные методы и программы в биомедицинетом 67, нет 2, с. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.