Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Биочернила - это материалы, используемые для производства инженерных / искусственных живых тканей с помощью 3D-печати . Эти чернила в основном состоят из используемых ячеек, но часто используются в тандеме с дополнительными материалами, которые покрывают ячейки. Комбинация клеток и обычно биополимерных гелей определяется как биочернила. Они должны соответствовать определенным характеристикам, включая , среди прочего , такие как реологические , механические, биофункциональные свойства и свойства биосовместимости. Использование биочернил обеспечивает высокую воспроизводимость и точный контроль над изготовленными конструкциями в автоматическом режиме. [1] Эти чернила считаются одними из самых передовых инструментов тканевой инженерии и регенеративной медицины (TERM). [2]

Подобно термопластам, которые часто используются в традиционной 3D-печати , биочернила могут быть экструдированы через печатные сопла или иглы в нити, которые могут сохранять точность формы после нанесения ( Five Types of Bioinks , 26 апреля 2017 г.). Однако биочернила чувствительны к нормальным условиям обработки 3D-печати .

Отличия от традиционных материалов для 3D-печати

  • Напечатано при гораздо более низкой температуре (37 ° C или ниже)
  • Мягкие условия сшивания
  • Естественное происхождение
  • Биоактивный
  • Сотовый манипулируемый

Возможность печати

Составы и химические составы Bioink часто созданы на основе существующих гидрогелевых биоматериалов. Однако эти гидрогелевые биоматериалы часто разрабатывались таким образом, чтобы их можно было легко дозировать и заливать в планшеты с лунками и другие формы. Изменение состава этих гидрогелей для обеспечения образования волокон необходимо для их перевода в качестве материалов для биопечати. Тем не менее, уникальные свойства биочерок ставят новые задачи при определении характеристик материала для печати. [3]

Традиционные методы биопечати включают нанесение материала слой за слоем для создания конечной структуры, но в 2019 году был представлен новый метод, называемый объемной биопечатью. Объемная биопечать происходит, когда биочернила помещаются в жидкую ячейку и избирательно облучаются источником энергии. Этот метод будет активно полимеризовать облученный материал, и он будет составлять окончательную структуру. Производство биоматериалов с использованием объемной биопечати био-чернил может значительно сократить время производства. В материаловедении это прорыв, который позволяет быстро создавать персонализированные биоматериалы. Процедура должна быть разработана и изучена клинически, прежде чем можно будет добиться каких-либо серьезных успехов в индустрии биопечати. [4]

В отличие от традиционных материалов для 3D-печати, таких как термопласты, которые по существу «фиксируются» после печати, биочернила представляют собой динамическую систему из-за высокого содержания воды и часто некристаллической структуры. Также должна быть охарактеризована точность формы биочернила после осаждения филамента. [5] Наконец, необходимо учитывать давление печати и диаметр сопла, чтобы минимизировать напряжения сдвига, возникающие на биочерке и на любых ячейках внутри биочернилы во время процесса печати. Слишком высокие усилия сдвига могут повреждать или лизировать клетки, что отрицательно сказывается на их жизнеспособности.

Важные соображения, касающиеся возможности печати, включают:

  • Однородность диаметра нити накала
  • Углы при взаимодействии нитей
  • «Кровотечение» нитей вместе в местах пересечения
  • Сохранение точности формы после печати, но до сшивки
  • Давление печати и диаметр сопла
  • Вязкость печати
  • Желирующие свойства

Классификация биографических чернил

Структурный

Структурные биочернила используются для создания основы желаемого отпечатка с использованием таких материалов, как альгинат, децеллюляризованный ECM, желатин и другие. Выбирая материал, вы можете контролировать механические свойства, форму и размер, а также жизнеспособность клеток. Эти факторы делают этот тип одним из основных, но все же одним из самых важных аспектов дизайна биопечати.

Жертвенный

Жертвенные биологические чернила - это материалы, которые будут использоваться для поддержки во время печати, а затем будут удалены с печати для создания каналов или пустых областей во внешней структуре. Каналы и открытые пространства чрезвычайно важны для миграции клеток и транспортировки питательных веществ, что делает их полезными при попытке спроектировать сосудистую сеть. Эти материалы должны обладать определенными свойствами, зависящими от окружающего материала, которые должны оставаться такими, как растворимость в воде, разложение при определенных температурах или естественное быстрое разложение. Несшитые желатины и плюроники являются примерами потенциальных жертвенных материалов.

Функциональный

Функциональные биочернила являются одними из наиболее сложных форм чернил, они используются для управления клеточным ростом, развитием и дифференцировкой. Это может быть сделано в форме интеграции факторов роста, биологических и физических сигналов, таких как текстура и форма поверхности. Эти материалы можно охарактеризовать как наиболее важные, поскольку они являются самым большим фактором в развитии функциональной ткани, а также функции, связанной со структурой.

Поддержка

Чернила поддержки используются, чтобы позволить печатным конструкциям развиваться и расти до такой степени, что они могут поддерживать себя в некоторых ситуациях. Биопечать структуры могут быть чрезвычайно хрупкими и непрочными из-за сложных структур и выступов в ранний период после печати, эти поддерживающие структуры дают им шанс выйти из этой фазы. Как только конструкция станет самоподдерживающейся, их можно будет удалить. В других ситуациях, таких как введение конструкции в биореактор после печати, эти структуры могут быть использованы для упрощения взаимодействия с системами, используемыми для более быстрого развития ткани.

4-D

4-D биочернила - это будущее области биопечати, это тип, который позволит нам иметь высокофункциональные тканевые системы. Их характеристики зависят от стимула, который они вводят, например, будущих чувствительных к электричеству биочернил, которые могут сокращаться и расслабляться на основе электрических импульсов, создавая функционирующую мышечную ткань. Эти материалы будущего могут произвести революцию в нашем взгляде на тканевую инженерию и медицинскую промышленность в целом, становясь все ближе и ближе к цели печати жизнеспособного органа для пациента.

[6]

Биочернила на гидрогелевой основе

Гидрогели являются полезными материалами для биопечати, поскольку они демонстрируют важные для печати физические свойства, сохраняя при этом высокий уровень гидратации, что благоприятно для клеток, содержащихся в чернилах. [7] Некоторые гидрогели также проявляют свойства истончения при сдвиге, что потенциально может снизить высокий сдвиг, вызванный процессом печати, и способствует экструзии. Пригодные для печати гидрогели могут содержать синтетические или природные базовые компоненты, причем синтетические полимеры, полисахариды, материалы на основе белков и пептидов находят наиболее широкое применение. Чтобы настроить свойства биочернилы для конкретного метода печати, эти материалы могут использоваться в однокомпонентных или многокомпонентных составах.

Полисахариды

Альгинат

Альгинат - это природный биополимер клеточной стенки бурых морских водорослей, который широко используется в биомедицине из-за его биосовместимости, низкой цитотоксичности, мягкого процесса гелеобразования и низкой стоимости. Альгинаты особенно подходят для биопечати из-за мягких условий сшивания за счет включения двухвалентных ионов, таких как кальций. Эти материалы были приняты в качестве биочернил за счет увеличения их вязкости. [8] Кроме того, эти биочернила на основе альгината можно смешивать с другими материалами, такими как наноцеллюлоза, для применения в тканях, таких как хрящ. [9]

Поскольку быстрое гелеобразование приводит к хорошей пригодности для печати, при биопечати в основном используется только альгинат , модифицированный альгинат или альгинат, смешанный с другими биоматериалами . Альгинат стал наиболее широко используемым природным полимером для биопечати и, скорее всего, является наиболее распространенным материалом для исследований in vivo .

Геллановая камедь

Геллановая камедь - это гидрофильный и высокомолекулярный анионный полисахарид, продуцируемый бактериями. Он очень похож на альгинат и может образовывать гидрогель при низких температурах. Он даже одобрен для использования в пищевых продуктах Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA). Геллановая камедь в основном используется как гелеобразующий агент и стабилизатор. Однако он почти никогда не используется отдельно для целей биопечати. [1]

Агароза

Агароза - это полисахарид, извлекаемый из морских водорослей и красных водорослей. Он широко используется в электрофорезе, а также в тканевой инженерии из-за его гелеобразующих свойств. Температуры плавления и гелеобразования агарозы можно изменять химически, что, в свою очередь, улучшает ее пригодность для печати. Идеально иметь био-чернила, которые можно модифицировать в соответствии с конкретными потребностями и условиями.

Биочернила на белковой основе

Желатин

Желатин широко используется в качестве биоматериала для создания тканей. Формирование желатиновых каркасов продиктовано физическими переплетениями цепей материала, который при низких температурах образует гель. Однако при физиологических температурах вязкость желатина значительно падает. Метакрилирование желатина - распространенный подход к изготовлению желатиновых каркасов, которые можно печатать и сохранять точность формы при физиологической температуре. [10]

Коллаген

Коллаген - главный белок внеклеточного матрикса клеток млекопитающих. Благодаря этому коллаген обладает сходными с тканями физико - химическими свойствами и биосовместимостью. Кроме того, коллаген уже используется в биомедицине . Некоторые исследования, в которых использовался коллаген, относятся к искусственной ткани кожи, мышечной ткани и даже костной ткани. [1]

Синтетические полимеры

Плюроника

Плюроники использовались в печати из-за их уникальных свойств гелеобразования. [11] Ниже физиологических температур плюроники обладают низкой вязкостью. Однако при физиологических температурах плюроники образуют гель. Однако в образующемся геле преобладают физические взаимодействия. Более постоянная сеть на основе плюроника может быть сформирована посредством модификации цепи плюроника акрилатными группами, которые могут быть химически сшиты. [12]

PEG

Полиэтиленгликоль (ПЭГ) - синтетический полимер, синтезированный полимеризацией окиси этилена . Это подходящий синтетический материал из-за его универсальных, но, как правило, сильных механических свойств. [1] Преимущества ПЭГ также включают нецитотоксичность и неиммуногенность. Однако ПЭГ биоинертен и его необходимо комбинировать с другими биологически активными гидрогелями.

Другие био-чернила

Децеллюляризованный ЕСМ

Биочувствительные элементы на основе децеллюляризованного внеклеточного матрикса могут быть получены практически из любой ткани млекопитающего. Однако часто такие органы, как сердце, мышцы, хрящи, кости и жир, децеллюляризуются, лиофилизируются и измельчаются, чтобы создать растворимый матрикс, который затем может быть преобразован в гели. [13] Эти биочернила обладают рядом преимуществ перед другими материалами из-за того, что они получены из зрелой ткани. Эти материалы состоят из сложной смеси структурных и декорирующих белков ЕСМ, специфичных для их тканевого происхождения. Таким образом, биочувствительные элементы, полученные из dECM, специально предназначены для предоставления клеткам тканеспецифичных сигналов. Часто эти биочувствительные элементы сшиваются посредством термического гелеобразования или химического сшивания, например, за счет использования рибофлавина. [14]

См. Также

  • 3D печать
  • 3D биопечать
  • Список производителей 3D-принтеров
  • Список распространенных тестовых 3D-моделей
  • Список новых технологий
  • Список заметного оружия и деталей, напечатанных на 3D-принтере
  • Орган на чипе

Ссылки

  1. ^ Сяолинь, Цуй; и другие. (30 апреля 2020 г.). «Достижения в области экструзионной 3D-биопечати: внимание к многокомпонентным биочеркам на основе гидрогеля». Передовые медицинские материалы . 9 (15): e1901648. DOI : 10.1002 / adhm.201901648 . PMID 32352649 . 
  2. ^ Hölzl, Катя; Линь, Шэнмао; Титгат, Лисбет; Ван Влирберге, Сандра; Гу, Линься; Овсяников, Александр (23 сентября 2016 г.). «Свойства Bioink до, во время и после 3D-биопечати» . Биофабрикация . 8 (3): 032002. Bibcode : 2016BioFa ... 8c2002H . DOI : 10.1088 / 1758-5090 / 8/3/032002 . PMID 27658612 . 
  3. ^ Берналь, Паулина Нуньес; Дельро, Поль; Лотери, Дэмиен; Ли, Ян; Мальда, Йос; Мозер, Кристоф; Левато, Риккардо (2019). «Объемная биопечать сложных конструкций из живых тканей за секунды» . Современные материалы . 31 (42): 1904209. DOI : 10.1002 / adma.201904209 . ISSN 1521-4095 . PMID 31423698 .  
  4. ^ Ouyang, Liliang (2016). «Влияние свойств биочернил на пригодность для печати и жизнеспособность клеток для 3D-биоплоттинга эмбриональных стволовых клеток». Биофабрикация . 8 (3): 035020. Bibcode : 2016BioFa ... 8c5020O . DOI : 10.1088 / 1758-5090 / 8/3/035020 . PMID 27634915 . 
  5. ^ ( Five Types of Bioinks , 26 апреля 2017 г.)
  6. ^ https://www.biogelx.com/compatibility-applications-and-future-of-peptide-based-bioinks/
  7. Перейти ↑ Jia, Jia (2014). «Инженерный альгинат как био чернила для биопечати» . Acta Biomaterialia . 10 (10): 4323–4331. DOI : 10.1016 / j.actbio.2014.06.034 . PMC 4350909 . PMID 24998183 .  
  8. ^ Markstedt, Кайса (2015). «3D биопечать человеческих хондроцитов с наноцеллюлозно-альгинатной биочеркой для применения в инженерии хрящевой ткани». Биомакромолекулы . 16 (5): 1489–1496. DOI : 10.1021 / acs.biomac.5b00188 . PMID 25806996 . 
  9. Перейти ↑ Hoch, Eva (2013). «Химическая обработка желатина для корректировки его химических и физических свойств для функциональной биопечати» . Журнал Materials Chemistry B . 1 (41): 5675–5685. DOI : 10.1039 / c3tb20745e . PMID 32261191 . 
  10. ^ Tirnaksiz, Figen (2005). «Реологические, мукоадгезивные и высвобождающие свойства геля плюроника F-127 и смешанных гелевых систем плюроника F-127 / поликарбофил». Die Pharmazie . 60 (7): 518–23. PMID 16076078 . 
  11. ^ Мюллер, Майкл (2015). «Наноструктурированные гидрогели Pluronic как биочернила для трехмерной биопечати». Биофабрикация . 7 (3): 035006. Bibcode : 2015BioFa ... 7c5006M . DOI : 10.1088 / 1758-5090 / 7/3/035006 . PMID 26260872 . 
  12. ^ Пати, Фалгуни (2014). «Печать трехмерных аналогов ткани с биочеркой из децеллюляризованного внеклеточного матрикса» . Nature Communications . 5 (5): 3935. Bibcode : 2014NatCo ... 5.3935P . DOI : 10.1038 / ncomms4935 . PMC 4059935 . PMID 24887553 .  
  13. ^ Jang, Jinah (2016). «Настройка механических свойств биочувствительности децеллюляризованного внеклеточного матрикса путем фото-кросслинкинга, индуцированного витамином B2». Acta Biomaterialia . 33 : 88–95. DOI : 10.1016 / j.actbio.2016.01.013 . PMID 26774760 . 

Внешние ссылки