Í mikilli framþróun í 3D lífprentunartækni hafa frumur og vefir verið búnar til til að hegða sér eins og í sínu náttúrulega umhverfi til að smíða „raunveruleg“ líffræðileg mannvirki
3D prentun er aðferð þar sem efni er bætt saman og þannig sameinað eða storknað undir stafrænni stjórn tölvu til að búa til þrívíðan hlut eða heild. Rapid Prototyping og Additive Manufacturing eru önnur hugtök sem notuð eru til að lýsa þessari tækni við að búa til flókna hluti eða einingar með því að setja efni í lag og byggja upp smám saman – eða einfaldlega „aukandi“ aðferð. Þessi ótrúlega tækni hefur verið til í þrjá áratugi eftir að hún var opinberlega uppgötvað árið 1987, aðeins nýlega hefur hún verið sett í sviðsljósið og vinsældir þar sem hún er ekki bara leið til að framleiða frumgerðir heldur býður upp á fullgilda hagnýta íhluti. Slíkur er möguleikinn á möguleikum á 3D prentun að það er nú að knýja fram stórar nýjungar á mörgum sviðum, þar á meðal verkfræði, framleiðslu og læknisfræði.
Mismunandi gerðir af aukefnaframleiðsluaðferðum eru fáanlegar sem fylgja sömu skrefum til að ná endanlegri niðurstöðu. Í fyrsta mikilvæga skrefinu er hönnun búin til með CAD (Computer-Aided-Design) hugbúnaði á tölvu – sem kallast stafræn teikning. Þessi hugbúnaður getur spáð fyrir um hvernig endanleg uppbygging mun reynast og einnig hegða sér, þannig að þetta fyrsta skref er mikilvægt fyrir góða niðurstöðu. Þessari CAD hönnun er síðan breytt í tæknilegt snið (kallað .stl skrá eða staðlað tessellation tungumál) sem þarf til að þrívíddarprentarinn geti túlkað hönnunarleiðbeiningar. Næst þarf að setja upp þrívíddarprentara (svipað og venjulegan tvívíddarprentara heima eða á skrifstofunni) fyrir raunverulega prentun – þetta felur í sér að stilla stærð og stefnu, velja landslags- eða andlitsprentun, fylla prentarahylkin með réttu dufti . The 3D prentari byrjar síðan prentunarferlið og byggir smám saman upp hönnunina eitt smásæja lag af efninu í einu. Þetta lag er venjulega um 0.1 mm að þykkt þó að það sé hægt að aðlaga það til að henta tilteknum hlut sem verið er að prenta. Öll aðgerðin er að mestu sjálfvirk og engin líkamleg íhlutun er nauðsynleg, aðeins reglubundnar athuganir til að tryggja rétta virkni. Tiltekinn hlut tekur nokkrar klukkustundir til daga að klára, allt eftir stærð og flóknu hönnuninni. Ennfremur, þar sem þetta er „aukandi“ aðferðafræði, er hún hagkvæm, umhverfisvæn (án sóunar) og veitir einnig miklu meira svigrúm fyrir hönnun.
Næsta stig: 3D Bioprinting
Lífprentun er framlenging á hefðbundinni þrívíddarprentun með nýlegum framförum sem gerir kleift að nota þrívíddarprentun á líffræðilegt lífefni. Þó að þrívíddar bleksprautuprentun sé þegar notuð til að þróa og framleiða háþróuð lækningatæki og verkfæri, þarf að þróa skref lengra til að prenta, skoða og skilja líffræðilegar sameindir. Afgerandi munurinn er sá að ólíkt bleksprautuprentuninni er lífprentun byggð á lífbleki, sem samanstendur af lifandi frumubyggingum. Svo, í lífprentun, þegar tiltekið stafrænt líkan er sett inn, er tiltekinn lifandi vefur prentaður og byggður upp lag fyrir frumulag. Vegna mjög flókinna frumuhluta lifandi líkamans gengur þrívíddarlífprentun hægt áfram og margbreytileiki eins og val á efnum, frumum, þáttum, vefjum veldur frekari verklagsáskorunum. Hægt er að bregðast við þessum margbreytileika með því að auka skilning með því að samþætta tækni frá þverfaglegum sviðum td líffræði, eðlisfræði og læknisfræði.
Miklar framfarir í lífprentun
Í rannsókn sem birt var í Háþróað virkniefni, hafa vísindamenn þróað 3D lífprentunartækni sem notar frumur og sameindir sem venjulega finnast í náttúrulegum vefjum (náttúrulegu umhverfi þeirra) til að búa til byggingar eða hönnun sem líkjast "raunverulegum" líffræðilegum byggingum. Þessi tiltekna lífprentunartækni sameinar „sameinda sjálfssamsetningu“ og „3D prentun“ til að búa til flóknar lífsameindabyggingar. Samsetning sameinda er ferli þar sem sameindir samþykkja skilgreint fyrirkomulag á eigin spýtur til að framkvæma ákveðið verkefni. Þessi tækni samþættir „ör- og stórsæja stjórn á byggingareiginleikum“ sem „3D prentun“ veitir „sameinda- og nanóstýringu“ sem er virkjuð með „sameinda sjálfsamsetningu“. Það notar kraft sameinda sjálfssamsetningar til að örva frumurnar sem verið er að prenta, sem er annars takmörkun í 3D prentun þegar venjulegt „3D prentblek“ veitir ekki þessa leið fyrir þetta.
Vísindamenn „innfelldu“ mannvirki í „lífrænt blek“ sem er svipað og upprunalegt umhverfi þeirra inni í líkamanum sem gerir það að verkum að mannvirkin hegða sér eins og þau myndu gera í líkamanum. Þetta lífblek, einnig kallað sjálfsamsettandi blek, hjálpar til við að stjórna eða móta efnafræðilega og eðlisfræðilega eiginleika á meðan og eftir prentunina, sem gerir það kleift að örva hegðun frumna í samræmi við það. Einstök vélbúnaður þegar hann er notaður til lífprentun gerir okkur kleift að gera athuganir á því hvernig þessar frumur virka í umhverfi sínu og gefa okkur þar með skyndimynd og skilning á raunverulegri líffræðilegri atburðarás. Það eykur möguleika á að byggja 3D líffræðileg mannvirki með því að prenta margar tegundir lífsameinda sem geta sett saman í vel skilgreind mannvirki á mörgum mælikvarða.
Framtíðin er mjög björt!
Lífprentunarrannsóknir eru nú þegar notaðar til að búa til mismunandi tegundir vefja og geta því verið mjög mikilvægar fyrir vefjaverkfræði og endurnýjunarlækningar til að mæta þörfinni fyrir vefi og líffæri sem henta fyrir ígræðslu – húð, bein, ígræðslu, hjartavef o.s.frv. opnar margvíslega möguleika til að hanna og búa til líffræðilegar aðstæður eins og flókið og sérstakt frumuumhverfi til að gera vefjaverkfræði hagsæld með því að búa til hluti eða smíði - undir stafrænni stjórn og með sameinda nákvæmni - sem líkjast eða líkja eftir vefjum í líkamanum. Mögulegt er að búa til líkön af lifandi vefjum, beinum, æðum og hugsanlega og heilum líffærum fyrir læknisfræðilegar aðgerðir, þjálfun, prófanir, rannsóknir og frumkvæði um uppgötvun lyfja. Mjög sérstök kynslóð sérsniðinna sjúklinga-sértækra smíða getur hjálpað til við að hanna nákvæma, markvissa og persónulega meðferð.
Ein stærsta hindrunin fyrir lífprentun og þrívíddar bleksprautuprentun almennt hefur verið þróun háþróaðs, háþróaðs hugbúnaðar til að mæta áskoruninni í fyrsta skrefi prentunar - að búa til viðeigandi hönnun eða teikningu. Til dæmis er hægt að búa til teikningar af hlutum sem ekki eru lifandi, en þegar kemur að því að búa til stafræn líkön af td lifur eða hjarta, þá er það krefjandi og ekki einfalt eins og flestir efnislegir hlutir. Lífprentun hefur örugglega marga kosti - nákvæma stjórn, endurtekningarnákvæmni og einstaklingshönnun en er samt þjáð af nokkrum áskorunum - sú mikilvægasta er að taka margar frumugerðir inn í staðbundna uppbyggingu þar sem lifandi umhverfi er kraftmikið og ekki kyrrstætt. Þessi rannsókn hefur stuðlað að framförum í þrívíddarlífprentun og hægt er að fjarlægja margar hindranir með því að fylgja meginreglum þeirra. Það er ljóst að raunverulegur árangur lífprentunar hefur nokkra hlið á sér. Mikilvægasti þátturinn sem getur eflt lífprentun er þróun viðeigandi og viðeigandi lífefna, aukning á upplausn prentunarinnar og einnig æðavæðing til að geta beitt þessari tækni klínískt með góðum árangri. Það virðist ómögulegt að „búa til“ fullkomlega starfhæf og lífvænleg líffæri til ígræðslu í mönnum með lífprentun en engu að síður er þetta sviði að þróast hratt og nóg af þróun er í forgrunni núna á örfáum árum. Það ætti að vera hægt að sigrast á flestum áskorunum sem fylgja lífprentun þar sem vísindamenn og lífeindatæknifræðingar eru nú þegar á leiðinni að farsælli flóknu lífprentun.
Nokkur vandamál með Bioprinting
Mikilvægur punktur sem kom fram á sviði lífprentunar er að það er nánast ómögulegt á þessu stigi að prófa virkni og öryggi hvers kyns líffræðilegrar „persónulegra“ meðferða sem boðið er upp á sjúklingum sem nota þessa tækni. Einnig er kostnaður í tengslum við slíkar meðferðir stórt mál, sérstaklega þegar framleiðsla á við. Þó að það sé mjög mögulegt að þróa starfhæf líffæri sem geta komið í stað líffæra manna, en jafnvel þá er engin heimskuleg leið til að meta hvort líkami sjúklings muni taka við nýjum vef eða gervilíffæri sem myndast og hvort slíkar ígræðslur muni skila árangri. allt.
Lífprentun er vaxandi markaður og mun einbeita sér að þróun vefja og líffæra og ef til vill eftir nokkra áratugi myndu nýjar niðurstöður sjást í þrívíddarprentuðum líffærum og ígræðslum. 3D lífprentun mun halda áfram að vera mikilvægasta og mikilvægasta læknisfræðilega þróun lífs okkar.
***
{Þú getur lesið upprunalegu rannsóknarritgerðina með því að smella á DOI hlekkinn sem gefinn er upp hér að neðan á listanum yfir tilvitnaðar heimildir}
Heimildir)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamically Guided Hierarchical Self-Assembly of Peptide-Protein Bioinks. Háþróað virkniefni. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
