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.
Една од најголемите пречки за биопечатењето и 3D инк-џет печатењето воопшто е развојот на напреден, софистициран софтвер за да се одговори на предизвикот на првиот чекор од печатењето – создавање соодветен дизајн или план. На пример, планот на неживи предмети може лесно да се создаде, но кога станува збор за создавање дигитални модели на пример, црн дроб или срце, тоа е предизвик и не е директен како повеќето материјални предмети. Биопечатењето дефинитивно има мноштво предности - прецизна контрола, повторливост и индивидуален дизајн, но сепак е оптоварен со неколку предизвици - најважниот е вклучувањето на повеќе типови клетки во просторна структура бидејќи животната средина е динамична и не е статична. Оваа студија придонесе за унапредување на 3D биопечатење и многу пречки може да се отстранат следејќи ги нивните принципи. Јасно е дека вистинскиот успех на биопечатењето има неколку аспекти поврзани со него. Најважниот аспект што може да го поттикне биопечатењето е развој на релевантни и соодветни биоматеријали, подобрување на резолуцијата на печатењето и исто така васкуларизација за да може успешно да се примени оваа технологија клинички. Се чини дека е невозможно да се „создадат“ целосно функционални и остварливи органи за трансплантација на луѓе со биопечатење, но сепак ова поле напредува брзо и многу случувања се во првите редови сега за само неколку години. Треба да се постигне да се надминат повеќето од предизвиците поврзани со биопечатењето бидејќи истражувачите и биомедицинските инженери веќе се на патот кон успешно сложено биопечатење.
Некои проблеми со биопечатењето
Критична точка издигната на полето на биопечатење е дека во оваа фаза е речиси невозможно да се тестираат ефикасноста и безбедноста на какви било биолошки „персонализирани“ третмани што им се нудат на пациентите кои ја користат оваа техника. Исто така, трошоците поврзани со ваквите третмани се голем проблем особено кога станува збор за производството. Иако е многу возможно да се развијат функционални органи кои можат да ги заменат човечките органи, но дури и тогаш, во моментов не постои глупав доказ за да се процени дали телото на пациентот ќе прифати ново ткиво или вештачкиот орган генериран и дали таквите трансплантации ќе бидат успешни во сите.
Биопечатењето е растечки пазар и ќе се фокусира на развој на ткива и органи и можеби за неколку децении ќе се видат нови резултати во 3Д печатените човечки органи и трансплантација. 3D биопечатење ќе продолжи да биде најважниот и релевантен медицински развој во нашиот животен век.
***
Извор (и)
Hedegaard CL 2018 година. Напредни функционални материјали. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
