Во голем напредок во техниката на 3D биопечатење, клетките и ткивата се создадени да се однесуваат слично во нивната природна средина за да се конструираат „вистински“ биолошки структури
3D печатењето е постапка во која материјалот се собира заедно и на тој начин се спојува или зацврстува под дигитална контрола на компјутер за да се создаде тродимензионален објект или ентитет. Брзо прототипирање и производство на адитиви се другите термини што се користат за опишување на оваа техника на создавање сложени предмети или ентитети со слоевитост на материјал и постепено градење - или едноставно метод на „додаток“. Оваа извонредна технологија постои три децении откако беше официјално откриена во 1987 година, дури неодамна беше ставена во центарот на вниманието и популарноста бидејќи не е само средство за производство на прототипови, туку нуди полноправни функционални компоненти. Таков е потенцијалот на можностите на 3D печатење дека сега предизвикува големи иновации во многу области, вклучително инженерството, производството и медицината.
Достапни се различни видови методи на производство на адитиви кои ги следат истите чекори за да го постигнат конечниот краен резултат. Во првиот клучен чекор, дизајнот се креира со користење на софтвер CAD (Computer-Aided-Design) на компјутер - наречен дигитален план. Овој софтвер може да предвиди како ќе излезе конечната структура и исто така ќе се однесува, така што овој прв чекор е од витално значење за добар резултат. Овој CAD дизајн потоа се претвора во технички формат (наречен .stl-датотека или стандарден јазик за теселирање) кој е потребен за 3D печатачот да може да ги толкува упатствата за дизајнот. Следно, треба да се постави 3D печатач (сличен на обичен, домашен или канцелариски 2D печатач) за вистинското печатење - ова вклучува конфигурирање на големината и ориентацијата, избор за пејзажни или портретни отпечатоци, полнење на касетите на печатачот со вистинскиот прав . На 3Д печатач потоа започнува процесот на печатење, постепено градејќи го дизајнот по еден микроскопски слој од материјалот. Овој слој обично е дебел околу 0.1 мм, иако може да се прилагоди за да одговара на одреден предмет што се печати. Целата процедура е главно автоматизирана и не е потребна физичка интервенција, само периодични проверки за да се обезбеди правилна функционалност. За да се заврши одреден објект потребни се неколку часа до денови, во зависност од големината и сложеноста на дизајнот. Понатаму, бидејќи е методологија „додаток“, таа е економична, еколошка (без трошење) и обезбедува многу поголем простор за дизајни.
Следното ниво: 3D биопечатење
Биопечатење е продолжение на традиционалното 3Д печатење со неодамнешните достигнувања што овозможуваат 3D печатењето да се примени на биолошки живи материјали. Додека 3D инк-џет печатењето веќе се користи за развој и производство на напредни медицински уреди и алатки, треба да се развие уште еден чекор за печатење, прегледување и разбирање на биолошките молекули. Клучната разлика е во тоа што за разлика од инк-џет печатењето, биопечатењето се заснова на био-мастило, кое се состои од структури на живи клетки. Така, во биопечатењето, кога се внесува одреден дигитален модел, специфичното живо ткиво се печати и се гради слој по клеточен слој. Поради многу сложените клеточни компоненти на живото тело, 3Д биопечатењето бавно напредува и сложеноста како што се изборот на материјали, клетки, фактори, ткива претставуваат дополнителни процедурални предизвици. Овие сложености може да се решат со проширување на разбирањето со интегрирање на технологии од интердисциплинарни области, на пр. биологија, физика и медицина.
Голем напредок во биопечатењето
Во студијата објавена во Напредни функционални материјали, истражувачите развија техника на 3D биопечатење која користи клетки и молекули кои вообичаено се наоѓаат во природните ткива (нивната домашна средина) за да создадат конструкции или дизајни кои личат на „вистински“ биолошки структури. Оваа конкретна техника на биопечатење комбинира „молекуларно самосклопување“ со „3Д печатење“ за да создаде сложени биомолекуларни структури. Молекуларното самосклопување е процес со кој молекулите сами донесуваат дефиниран распоред за извршување на одредена задача. Оваа техника интегрира „микро- и макроскопска контрола на структурните карактеристики“ што ги обезбедува „3D печатењето“ со „контрола на молекуларна и нано-скала“ овозможена со „молекуларно самосклопување“. Ја користи моќта на молекуларното самосклопување за да ги стимулира ќелиите што се печатат, што инаку е ограничување во 3D печатењето кога обичното „мастило за печатење 3D“ не го обезбедува ова средство за ова.
Истражувачите „вградија“ структури во „био мастило“ што е слично на нивната родна средина во телото, правејќи структурите да се однесуваат како што би се однесувале во телото. Ова био-мастило, исто така наречено самосклопувачко мастило, помага да се контролираат или модулираат хемиските и физичките својства за време и по печатењето, што потоа овозможува соодветно да се стимулира однесувањето на ќелијата. Уникатниот механизам кога се применува на биопечатење ни овозможува да направиме набљудувања за тоа како овие клетки работат во нивните средини, со што ни даваат слика и разбирање на вистинското биолошко сценарио. Ја зголемува можноста за градење 3D биолошки структури со печатење на повеќе видови биомолекули способни да се соберат во добро дефинирани структури во повеќе размери.
Иднината е многу надежна!
Истражувањето за биопечатење веќе се користи за генерирање на различни видови ткиво и затоа може да биде многу важно за инженерството на ткивата и регенеративната медицина за да се одговори на потребата од ткива и органи погодни за трансплантација - кожа, коски, графтови, срцеви ткива итн. Понатаму, техниката отвора широк спектар на можности за дизајнирање и создавање биолошки сценарија како сложени и специфични клеточни средини за да се овозможи просперитет на ткивното инженерство преку создавање на предмети или конструкции - под дигитална контрола и со молекуларна прецизност - кои личат или имитираат ткива во телото. Моделите на живо ткиво, коски, крвни садови и потенцијално и цели органи можат да се создадат за медицински процедури, обука, тестирање, истражување и иницијативи за откривање лекови. Многу специфична генерација на приспособени конструкции специфични за пациентот може да помогне во дизајнирањето на точни, насочени и персонализирани третмани.
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 биопечатење 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.
Некои проблеми со биопечатењето
A critical point raised in the field of биопечатење 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 трансплантација. 3D биопечатење ќе продолжи да биде најважниот и релевантен медицински развој во нашиот животен век.
***
{Можете да го прочитате оригиналниот истражувачки труд со кликнување на врската DOI дадена подолу во списокот со цитирани извори}
Извор (и)
Hedegaard CL 2018 година. Напредни функционални материјали. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
