Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Трехмерная ( 3D ) биопечать - это использование методов, подобных 3D-печати , для объединения клеток, факторов роста и биоматериалов для изготовления биомедицинских деталей, которые максимально имитируют естественные характеристики тканей. Как правило, в трехмерной биопечати используется послойный метод нанесения материалов, известных как биочернила, для создания тканеподобных структур, которые позже используются в медицине и тканевой инженерии. Биопечать охватывает широкий спектр биоматериалов .

В настоящее время биопечать можно использовать для печати тканей и органов, чтобы помочь в исследовании лекарств и таблеток. [1] Тем не менее, появляющиеся инновации включают в себя биопечать клеток или внеклеточного матрикса, нанесенных в трехмерный гель слой за слоем для получения желаемой ткани или органа. Кроме того, 3D-биопечать начала включать в себя печать каркасов. Эти каркасы можно использовать для восстановления суставов и связок. [2]

Процесс [ править ]

Биопечать 3D извитых проксимальных канальцев почек на перфузионных чипах

Трехмерная биопечать обычно состоит из трех этапов: до биопечати, биопечати и после биопечати. [3] [4]

Предварительная биопечать [ править ]

Предварительная биопечать - это процесс создания модели, которую позже создаст принтер, и выбора материалов, которые будут использоваться. Одним из первых шагов является получение биопсии органа. Распространенными технологиями, используемыми для биопечати, являются компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Для послойной печати изображений выполняется томографическая реконструкция . Теперь 2D-изображения отправляются на принтер для изготовления. После создания изображения определенные клетки изолируются и размножаются. [3]Затем эти клетки смешиваются со специальным сжиженным материалом, который обеспечивает кислород и другие питательные вещества, чтобы поддерживать их жизнь. В некоторых процессах клетки заключены в клеточные сфероиды диаметром 500 мкм. Эта агрегация клеток не требует каркаса и требуется для помещения в трубчатое слияние тканей для таких процессов, как экструзия. [5] : 165

Биопечать [ править ]

На втором этапе жидкая смесь клеток, матрикса и питательных веществ, известная как биочернила , помещается в картридж принтера и депонируется с использованием медицинских сканированных изображений пациентов. [6] Когда пре-ткань с биопечатью переносится в инкубатор, эта клеточная пре-ткань созревает в ткань.

Трехмерная биопечать для изготовления биологических конструкций обычно включает нанесение клеток на биосовместимый каркас с использованием последовательного послойного подхода для создания тканеподобных трехмерных структур. [7] В искусственных органах, таких как печень и почки, созданные с помощью трехмерной биопечати, отсутствуют важные элементы, влияющие на организм, такие как работающие кровеносные сосуды, канальцы для сбора мочи и рост миллиардов клеток, необходимых для этих органов. Без этих компонентов организм не сможет получить необходимые питательные вещества и кислород глубоко в себе. [7]Учитывая, что каждая ткань в организме естественным образом состоит из клеток разных типов, многие технологии печати этих клеток различаются по своей способности обеспечивать стабильность и жизнеспособность клеток в процессе производства. Некоторые из методов, которые используются для трехмерной биопечати клеток, - это фотолитография , магнитная трехмерная биопечать , стереолитография и прямая экструзия клеток. [5] : 196

Пост-биопечать [ править ]

Процесс после биопечати необходим для создания стабильной структуры из биологического материала. Если этот процесс не поддерживается должным образом, механическая целостность и функция 3D-печатного объекта находятся под угрозой. [3] Для поддержания объекта необходимы как механические, так и химические воздействия. Эти стимуляции посылают сигналы клеткам, чтобы контролировать ремоделирование и рост тканей. Кроме того, недавние разработки биореакторных технологий [8] позволили быстрое созревание тканей, васкуляризацию тканей и способность выжить при трансплантатах. [4]

Биореакторы работают либо на конвективный перенос питательных веществ, создавая микрогравитационную среду, изменяя давление, вызывающее протекание раствора через клетки, либо добавляя сжатие для динамической или статической нагрузки. Каждый тип биореактора идеально подходит для разных типов тканей, например, компрессионные биореакторы идеально подходят для хрящевой ткани. [5] : 198

Подход биопечати [ править ]

Исследователи в этой области разработали подходы к созданию живых органов с соответствующими биологическими и механическими свойствами. Трехмерная биопечать основана на трех основных подходах: биомимикрия, автономная самосборка и строительные блоки из мини-ткани. [9]

Биомимикрия [ править ]

Первый подход биопечати называется биомимикрией. Основная цель этого подхода - создание искусственных структур, идентичных естественной структуре тканей и органов человеческого тела. Биомимикрия требует дублирования формы, каркаса и микросреды органов и тканей. [10] Применение биомимикрии в биопечати включает создание идентичных клеточных и внеклеточных частей органов. Чтобы этот подход был успешным, ткани должны быть воспроизведены в микромасштабе. Следовательно, необходимо понимать микросреду, природу биологических сил в этой микросреде, точную организацию функциональных и поддерживающих типов клеток, факторы растворимости и состав внеклеточного матрикса. [9]

Автономная самосборка [ править ]

Второй подход биопечати - это автономная самосборка. Этот подход основан на физическом процессе развития эмбриональных органов в качестве модели для воспроизведения интересующих тканей. [10] Когда клетки находятся на раннем этапе своего развития, они создают свой собственный строительный блок внеклеточного матрикса, надлежащую клеточную сигнализацию, а также независимую организацию и формирование паттерна для обеспечения требуемых биологических функций и микроархитектуры. [9] Автономная самосборка требует конкретной информации о методах развития тканей и органов эмбриона. [10]Существует модель «без каркаса», в которой используются самособирающиеся сфероиды, которые подвергаются слиянию и расположению клеток, чтобы напоминать развивающиеся ткани. Автономная самосборка зависит от клетки как основной движущей силы гистогенеза, определяющей строительные блоки, структурные и функциональные свойства этих тканей. Это требует более глубокого понимания того, как развиваются механизмы эмбриональных тканей, а также микроокружение, окружающее для создания биопечати тканей. [9]

Мини-ткань [ править ]

Третий подход биопечати представляет собой комбинацию подходов биомимикрии и самосборки, который называется мини-тканями. Органы и ткани состоят из очень маленьких функциональных компонентов. Подход мини-ткани берет эти маленькие кусочки и производит и собирает их в более крупную основу. [10] [9]

Принтеры [ править ]

3D биопринтер

Подобно обычным чернильным принтерам, биопринтеры состоят из трех основных компонентов. Это используемое оборудование, тип биочернил и материал, на котором они напечатаны (биоматериалы). [3] «Биочернила - это материал, состоящий из живых клеток, который ведет себя во многом как жидкость, что позволяет людям« печатать »его, чтобы придать желаемую форму. Чтобы сделать биочернила, ученые создают суспензию клеток, которые могут быть загруженным в картридж и вставленным в специально разработанный принтер вместе с другим картриджем, содержащим гель, известный как биобумага ». [11]В биопечати используются три основных типа принтеров. Это струйные, лазерные и экструзионные принтеры. Струйные принтеры в основном используются в биопечати для быстрой и крупносерийной продукции. Один из типов струйных принтеров, называемый струйным принтером drop-on-demand, позволяет печатать материалы в точных количествах, сводя к минимуму затраты и отходы. [12] Принтеры, в которых используются лазеры, обеспечивают печать с высоким разрешением; однако эти принтеры часто бывают дорогими. Экструзионные принтеры печатают ячейки слой за слоем, как 3D-печать, для создания 3D-конструкций. Помимо клеток, экструзионные принтеры могут также использовать гидрогели, наполненные клетками. [3]

На основе экструзии [ править ]

Печать на основе экструзии является очень распространенной техникой в ​​области 3D-печати, которая влечет за собой экструзию или форсирование непрерывного потока расплавленного твердого материала или вязкой жидкости через своего рода отверстие, часто сопло или шприц. [13] Когда дело доходит до биопечати на основе экструзии, существует три основных типа экструзии. Они имеют пневматический, поршневой и винтовой привод. У каждого метода экструзии есть свои преимущества и недостатки. Пневматическая экструзия использовала сжатый воздух для проталкивания жидкой биочернилы через осаждающий агент. Воздух, используемый для перемещения биочувствительного элемента, не должен содержать загрязняющих веществ. Воздушные фильтры обычно используются для стерилизации воздуха перед его использованием. [14]В экструзии с поршневым приводом используется поршень, соединенный с направляющим винтом. Линейное движение поршня выдавливает материал из сопла. [15] При экструзии с приводом от шнека используется шнековый шнек для экструзии материала. Вращательное движение выталкивает материал вниз и из сопла. Устройства с винтовым приводом позволяют использовать материалы с более высокой вязкостью и обеспечивают больший объемный контроль. [13]

Распространенные методы экструзии биопечати

Приложения [ править ]

Есть несколько приложений для 3D-биопечати в области медицины. Младенцу с редким респираторным заболеванием, известным как трахеобронхомаляция (ТБМ), была наложена трахеальная шина, созданная с помощью 3D-печати. [16] 3D-биопечать можно использовать для реконструкции тканей из различных областей тела. Пациентов с терминальной стадией заболевания мочевого пузыря можно лечить, используя модифицированные ткани мочевого пузыря для восстановления поврежденного органа. [17] Эта технология также потенциально может быть применена к костям, коже, хрящам и мышечной ткани. [18] Хотя одной из долгосрочных целей технологии 3D-биопечати является реконструкция всего органа, печать полностью функциональных органов не достигла больших успехов. [19]В отличие от имплантируемых стентов, органы имеют сложную форму, и их значительно труднее подвергнуть биопечати. Например, сердце с биопечатью должно отвечать не только структурным требованиям, но и требованиям к васкуляризации, механической нагрузке и распространению электрических сигналов. [20] В 2019 году израильские исследователи сконструировали сердце размером с кролика из человеческих клеток. [21]

Воздействие [ править ]

Трехмерная биопечать вносит свой вклад в значительный прогресс в области медицинской инженерии тканей , позволяя проводить исследования инновационных материалов, называемых биоматериалами . Биоматериалы - это материалы, адаптированные и используемые для печати трехмерных объектов. Некоторые из наиболее известных биоинженерных веществ обычно прочнее, чем обычные материалы тела, включая мягкие ткани и кости. Эти составляющие могут в будущем заменить или даже улучшить оригинальные материалы корпуса. Альгинат , например, представляет собой анионный полимер со многими биомедицинскими последствиями, включая осуществимость, высокую биосовместимость, низкую токсичность и более сильную структурную способность по сравнению с некоторыми структурными материалами организма. [22]Синтетические гидрогели также являются обычным явлением, в том числе гели на основе PV. Комбинация кислоты с инициируемым УФ-излучением сшивающим агентом на основе PV была оценена Медицинским институтом Уэйк Форест и определена как подходящий биоматериал. [23] Инженеры также изучают другие возможности, такие как печать микроканалов, которые могут максимизировать диффузию питательных веществ и кислорода из соседних тканей. [6] Кроме того, Агентство по уменьшению угрозы обороны стремится печатать мини-органы, такие как сердце, печень и легкие, как потенциальные возможности для более точного тестирования новых лекарств и, возможно, устранение необходимости в тестировании на животных. [6]

См. Также [ править ]

  • 3D-печать § Биопечать
  • Квашеное мясо
  • Этика биопечати
  • Магнитная 3D-биопечать

Ссылки [ править ]

  1. ^ Hinton TJ, Jallerat Q, Palchesko RN, Park JH, Grodzicki MS, Shue HJ, et al. (Октябрь 2015 г.). «Трехмерная печать сложных биологических структур путем обратимого внедрения произвольной формы суспендированных гидрогелей» . Наука продвигается . 1 (9): e1500758. Bibcode : 2015SciA .... 1E0758H . DOI : 10.1126 / sciadv.1500758 . PMC  4646826 . PMID  26601312 .
  2. ^ Накашима Y, Okazak К, Накаяма К, Окада S, Мидзу-учи Н (январь 2017 г.). «Заболевания костей и суставов в настоящем и будущем». Фукуока Игаку Засси = Hukuoka Acta Medica . 108 (1): 1–7. PMID 29226660 . 
  3. ^ а б в г е Шафи А, Атала А (март 2016 г.). «Технологии печати для медицинских приложений». Тенденции в молекулярной медицине . 22 (3): 254–265. DOI : 10.1016 / j.molmed.2016.01.003 . PMID 26856235 . 
  4. ^ a b Ozbolat IT (июль 2015 г.). «Биопечать в увеличенном масштабе тканевых и органных конструкций для трансплантации». Тенденции в биотехнологии . 33 (7): 395–400. DOI : 10.1016 / j.tibtech.2015.04.005 . PMID 25978871 . 
  5. ^ a b c Chua CK, Yeong WY (2015). Биопечать: принципы и применение . Сингапур: ISBN World Scientific Publishing Co. 9789814612104.
  6. ^ a b c Cooper-White M (1 марта 2015 г.). «Как 3D-печать может положить конец смертельной нехватке донорских органов» . Наука Хаффпоста . TheHuffingtonPost.com, Inc . Проверено 17 февраля +2016 .
  7. ^ а б Хармон К. (2013). «Сладкое решение для замены органов» (PDF) . Scientific American . 308 (4): 54–55. Bibcode : 2013SciAm.308d..54H . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0413-54 . Архивировано из оригинального (PDF) 17 февраля 2016 года . Проверено 17 февраля +2016 .
  8. ↑ Сингх Д., Томас Д. (апрель 2019 г.). «Достижения в технологии медицинских полимеров на пути к панацеи в производстве сложных трехмерных тканей и органов». Американский журнал хирургии . 217 (4): 807–808. DOI : 10.1016 / j.amjsurg.2018.05.012 . PMID 29803500 . 
  9. ^ a b c d e Мерфи С.В., Атала А (август 2014 г.). «3D биопечать тканей и органов». Природа Биотехнологии . 32 (8): 773–85. DOI : 10.1038 / nbt.2958 . PMID 25093879 . S2CID 22826340 .  
  10. ^ а б в г Ю Дж, Атала А (2015). «Биопечать: 3D-печать оживает». ProQuest 1678889578 .  Cite journal requires |journal= (help)
  11. ^ Manappallil JJ (2015). Основные стоматологические материалы . JP Medical Ltd. ISBN 9789352500482.
  12. ^ «Технология 3D-печати на службе здоровья» . Healthyeve . Дата обращения 4 августа 2016 .
  13. ^ a b Леповски, Эрик; Мурадоглу, Метин; Ташоглу, Савас (2018). «На пути к сохранению жизнеспособности клеток после печати и повышению разрешения: прошлое, настоящее и будущее теории трехмерной биопечати» (PDF) . Биопечать . 11 . ISSN 2405-8866 - через Elsevier Science Direct.  
  14. ^ Гу, Земинг; Фу, Цзяньчжун; Линь, Хуэй; Он, Ён (2020). «Развитие 3D-биопечати: от методов печати до биомедицинских приложений» . Азиатский журнал фармацевтических наук . 15 (5). ISSN 1818-0876 - через Science Direct. 
  15. ^ Derakhshanfar, Soroosh; Мбелек, Рене; Сюй, Кайге; Чжан, Синьин; Чжун, Вэнь; Син, Малькольм (июнь 2018 г.). «3D биопечать для биомедицинских устройств и тканевой инженерии: обзор последних тенденций и достижений» . Биоактивные материалы . 3 (2): 144–156. DOI : 10.1016 / j.bioactmat.2017.11.008 .
  16. ^ Zopf DA, Hollister SJ, Нельсон ME, Ohye RG, зеленый GE (май 2013). «Биорассасывающаяся шина для дыхательных путей, созданная на трехмерном принтере». Медицинский журнал Новой Англии . 368 (21): 2043–5. DOI : 10.1056 / NEJMc1206319 . PMID 23697530 . 
  17. ^ Атала A, Bauer SB, Soker S, Yoo JJ, Retik AB (апрель 2006). «Тканевые аутологичные мочевые пузыри для пациентов, нуждающихся в цистопластике». Ланцет . 367 (9518): 1241–6. DOI : 10.1016 / S0140-6736 (06) 68438-9 . PMID 16631879 . S2CID 17892321 .  
  18. ↑ Hong N, Yang GH, Lee J, Kim G (январь 2018). «3D биопечать и ее приложения in vivo». Журнал исследований биомедицинских материалов. Часть B, Прикладные биоматериалы . 106 (1): 444–459. DOI : 10.1002 / jbm.b.33826 . PMID 28106947 . 
  19. ↑ Sommer AC, Blumenthal EZ (сентябрь 2019 г.). «Применение 3D-печати в офтальмологии». Архив клинической и экспериментальной офтальмологии Грефе = Архив Fur Klinische und Experimentelle Ophthalmologie Альбрехта фон Грефеса . 257 (9): 1815–1822. DOI : 10.1007 / s00417-019-04312-3 . PMID 30993457 . S2CID 116884575 .  
  20. ^ Цуй Х., Мяо С., Эсуорти Т., Чжоу Х, Ли С.Дж., Лю С. и др. (Июль 2018). «3D биопечать для регенерации сердечно-сосудистой системы и фармакологии» . Расширенные обзоры доставки лекарств . 132 : 252–269. DOI : 10.1016 / j.addr.2018.07.014 . PMC 6226324 . PMID 30053441 .  
  21. ↑ Freeman D (19 апреля 2019 г.). «Израильские ученые создали первое в мире сердце, напечатанное на 3D-принтере, используя человеческие клетки» . NBC News . Проверено 20 апреля 2019 .
  22. Перейти ↑ Crawford M (май 2013 г.). «Создание ткани клапана с помощью трехмерной биопечати» . ASME.org . Американское общество инженеров-механиков . Проверено 17 февраля +2016 .
  23. ^ Murphy С.В., Skardal A, Атала A (январь 2013). «Оценка гидрогелей для биопечати». Журнал исследований биомедицинских материалов. Часть A . 101 (1): 272–84. DOI : 10.1002 / jbm.a.34326 . PMID 22941807 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Тран Дж (2015). «В Биопринт или не в Биопринт» . Журнал права и технологий Северной Каролины . 17 : 123–78. SSRN  2562952 .
  • Тран Дж (7 мая 2015 г.). «Патентование биопечати». Harvard Journal of Law and Technology Digest . 29 . SSRN  2603693 .
  • Вишвакарма А (27 ноября 2014 г.). Биология стволовых клеток и тканевая инженерия в стоматологии . Elsevier, 2014. ISBN. 9780123971579.