Разбиране на биопечат и неговите приложения

Биопечат, вид 3D печат, използва клетки и други биологични материали като „мастила“ за създаване на 3D биологични структури. Биопринтираните материали имат потенциала да възстановяват повредените органи, клетки и тъкани в човешкото тяло. В бъдеще биопечатът може да се използва за изграждане на цели органи от нулата, възможност, която може да трансформира полето на биопечат.

Изследователите са изследвали биопечат на много различни типове клетки, включително стволови клетки, мускулни клетки и ендотелни клетки. Няколко фактора определят дали материал може да бъде отпечатан или не. Първо, биологичните материали трябва да са биосъвместими с материалите в мастилото и самия принтер. В допълнение, механичните свойства на отпечатаната структура, както и времето, необходимо за съзряване на органа или тъканта, също влияят върху процеса.

Биоинките обикновено попадат в един от двата вида:

• Гелове на водна основаили хидрогели действат като 3D структури, в които клетките могат да процъфтяват. Хидрогелите, съдържащи клетки, се отпечатват в определени форми и
  instagram viewer
  полимери в хидрогелите се съединяват или "омрежват", така че отпечатаният гел става по-силен. Тези полимери могат да бъдат естествено получени или синтетични, но трябва да са съвместими с клетките.
• Агрегати от клетки които спонтанно се сливат в тъканите след отпечатване.

Процесът на биопечат има много сходства с процеса на 3D печат. Биопечатът обикновено се разделя на следните стъпки:

• Предварителна обработка: Подготвя се 3D модел, базиран на дигитална реконструкция на органа или тъканта, подлежаща на биопечат. Тази реконструкция може да бъде създадена въз основа на изображения, заснети неинвазивно (например с MRI) или чрез по-инвазивен процес, като например серия от двуизмерни филийки, изобразени с рентгенови лъчи.
• обработване: Тъканта или орган на базата на 3D модела в етапа на предварителна обработка се отпечатва. Подобно на други видове 3D печат, слоевете материал се добавят последователно, за да се отпечата материалът.
• Последваща обработка: Извършват се необходими процедури за трансформиране на отпечатъка във функционален орган или тъкан. Тези процедури могат да включват поставяне на отпечатъка в специална камера, която помага на клетките да съзреят правилно и по-бързо.

Както и при другите видове 3D печат, биоинките могат да бъдат отпечатани по различен начин. Всеки метод има своите специфични предимства и недостатъци.

• Биопечат на базата на мастилено-струйни материали действа подобно на офис мастиленоструен принтер. Когато дизайнът се отпечатва с мастиленоструен принтер, мастилото се изстрелва през много малки дюзи върху хартията. Това създава изображение, направено от много капчици, които са толкова малки, че не се виждат на окото. Изследователите са адаптирали мастиленоструен печат за биопечат, включително методи, които използват топлина или вибрация, за да пробутват мастило през дюзите. Тези биопринтери са по-достъпни от другите техники, но се ограничават до биовинкове с нисък вискозитет, което от своя страна би могло да ограничи видовете материали, които могат да бъдат отпечатани.
• Лазерна подпомагаbioprinting използва лазер за преместване на клетки от разтвор върху повърхност с висока точност. Лазерът загрява част от разтвора, създавайки въздушен джоб и измествайки клетки към повърхността. Тъй като тази техника не изисква малки дюзи, като например при биопечат на базата на мастилено-струйни материали, може да се използват материали с по-висок вискозитет, които не могат да преминават лесно през дюзите. Лазерно подпомогнатото биопринтиране също позволява много висока точност на печат. Въпреки това топлината от лазера може да повреди клетките, които се отпечатват. Освен това техниката не може лесно да бъде „мащабирана“ за бързо отпечатване на структури в големи количества.
• Биопечат на базата на екструзия използва натиск, за да изтласка материал от дюза, за да създаде фиксирани форми. Този метод е сравнително универсален: биоматериалите с различен вискозитет могат да бъдат отпечатани от регулиране на налягането, въпреки че трябва да се внимава, тъй като е по-вероятно да се повреди по-високото налягане клетки. Биопечатът, базиран на екструзия, вероятно може да бъде увеличен за производството, но може да не е толкова прецизен, колкото другите техники.
• Електроспрей и електропринципни биопринтери използвайте електрически полета, за да създадете съответно капчици или влакна. Тези методи могат да имат точност до нанометър. Те обаче използват много високо напрежение, което може да е опасно за клетките.

Тъй като биопечатът позволява точното изграждане на биологични структури, техниката може да намери много приложения в биомедицината. Изследователите са използвали биопечат за въвеждане на клетки за подпомагане на възстановяването на сърцето след сърдечен удар, както и депозиране на клетки в ранена кожа или хрущял. Bioprinting се използва за изработване на сърдечни клапи за възможна употреба при пациенти със сърдечни заболявания, изграждане на мускулни и костни тъкани и подпомагане на възстановяването на нервите.

Въпреки че трябва да се направи повече работа, за да се определи как биха се получили тези резултати в клинична обстановка, изследванията показват, че биопечатът може да се използва за подпомагане на регенерацията на тъканите по време на операция или след това нараняване. В бъдеще биопринтерите могат също така да позволят на цели органи като черен дроб или сърца да се правят от нулата и да се използват при трансплантация на органи.

В допълнение към 3D биопечат, някои групи са изследвали и 4D биопечат, който отчита четвъртото измерение на времето. 4D биопечатът се основава на идеята, че отпечатаните 3D структури могат да продължат да се развиват с течение на времето, дори и след като са отпечатани. Следователно структурите могат да променят своята форма и / или функция, когато са изложени на правилния стимул, като топлина. 4D биопечат може да намери приложение в биомедицински области, като например създаване на кръвоносни съдове, като се възползвате от това как някои биологични конструкции се сгъват и навиват.

Въпреки че биопечатът може да помогне за спасяването на много животи в бъдеще, все още предстои да бъдат решени редица предизвикателства. Например, отпечатаните структури може да са слаби и да не могат да запазят формата си, след като се прехвърлят на подходящото място на тялото. Освен това тъканите и органите са сложни, съдържащи много различни видове клетки, подредени по много прецизни начини. Настоящите технологии за печат може да не са в състояние да копират такива сложни архитектури.

И накрая, съществуващите техники също са ограничени до определени видове материали, ограничен диапазон на вискозитети и ограничена точност. Всяка техника може да причини повреда на клетките и други материали, които се отпечатват. Тези проблеми ще бъдат разгледани, докато изследователите продължават да разработват биопечат за справяне с все по-трудни инженерни и медицински проблеми.

• Биенето, изпомпването на сърдечни клетки, генерирани с помощта на 3D принтер, може да помогне на пациенти с инфаркт, Софи Скот и Ребека Армитаж, ABC.
• Dababneh, A. и Ozbolat, I. “Технология за биопринтиране: Актуален преглед на състоянието.” Списание за производствена наука и инженерство, 2014, кн. 136, бр. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. и Xu, F. “4D биопечат за биомедицински приложения.” Тенденции в биотехнологиите, 2016, кн. 34, бр. 9, стр. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Хонг, Н., Ян, Г., Лий, Дж. И Ким, Ж. “3D биопечат и неговите in vivo приложения.” Списание за биомедицински изследвания, 2017, кн. 106, бр. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Миронов, В., Боланд, Т., Труск, Т., Форгач, Г. и Маркълд, П. “Отпечатване на органи: компютърна технология за 3D тъкани на базата на струя.” Тенденции в биотехнологиите, 2003, кн. 21, бр. 4, вр. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Мърфи, С. и Атала, А. “3D биопечат на тъкани и органи.” Природна биотехнология, 2014, кн. 32, бр. 8, стр. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. и Yoo, J. "Технология за биопринтиране и нейните приложения." Европейско списание за кардио-торакална хирургия, 2014, кн. 46, бр. 3, стр. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. и Lal, P. “Скорошно развитие в компютърната тъканно инженерство - преглед.” Компютърни методи и програми в биомедицината, кн. 67, бр. 2, вр. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.