I ett stort framsteg inom 3D-bioprintningsteknik har celler och vävnader skapats för att bete sig som i sin naturliga miljö för att konstruera "riktiga" biologiska strukturer
3D-utskrift är en procedur där ett material läggs samman och på så sätt sammanfogas eller stelnas under digital kontroll av en dator för att skapa ett tredimensionellt objekt eller entitet. Rapid Prototyping och Additive Manufacturing är de andra termerna som används för att beskriva denna teknik för att skapa komplexa objekt eller enheter genom att skikta material och gradvis bygga upp – eller helt enkelt en "additiv" metod. Den här anmärkningsvärda tekniken har funnits i tre decennier efter att ha upptäckts officiellt 1987, och först nyligen har den ställts in i rampljuset och popularitet eftersom den inte bara är ett sätt att producera prototyper utan snarare erbjuder fullfjädrade funktionella komponenter. Sådan är potentialen för möjligheter 3D skriva ut att det nu driver stora innovationer inom många områden, inklusive teknik, tillverkning och medicin.
Olika typer av additiv tillverkningsmetoder finns tillgängliga som följer samma steg för att uppnå det slutliga slutresultatet. I det första avgörande steget skapas design med hjälp av CAD-programvara (Computer-Aided-Design) på datorn – en så kallad digital blueprint. Denna mjukvara kan förutsäga hur den slutliga strukturen kommer att bli och även bete sig, så detta första steg är avgörande för ett bra resultat. Denna CAD-design konverteras sedan till ett tekniskt format (kallas en .stl-fil eller standard tessellation-språk) som krävs för att 3D-skrivaren ska kunna tolka instruktioner för design. Därefter måste 3D-skrivare ställas in (liknande en vanlig 2D-skrivare för hemmet eller på kontoret) för själva utskriften – detta inkluderar konfigurering av storlek och orientering, val av liggande eller stående utskrifter, fyllning av skrivarpatronerna med rätt pulver . De 3D skrivare sedan startar tryckprocessen och bygger gradvis upp designen ett mikroskopiskt lager av materialet i taget. Detta lager är vanligtvis cirka 0.1 mm tjockt men det kan anpassas för att passa ett speciellt objekt som skrivs ut. Hela proceduren är för det mesta automatiserad och inga fysiska ingrepp krävs, endast periodiska kontroller för att säkerställa korrekt funktionalitet. Ett visst objekt tar flera timmar till dagar att färdigställa, beroende på designens storlek och komplexitet. Dessutom, eftersom det är en "tillsats" metodik, är den ekonomisk, miljövänlig (utan slöseri) och ger också mycket större utrymme för design.
Nästa nivå: 3D Bioprinting
bioprinting är en förlängning av traditionell 3D-utskrift med de senaste framstegen som gör att 3D-utskrift kan tillämpas på biologiska levande material. Medan 3D-bläckstråleutskrift redan används för att utveckla och tillverka avancerade medicinska apparater och verktyg, behöver ett steg vidare utvecklas för att skriva ut, se och förstå biologiska molekyler. Den avgörande skillnaden är att till skillnad från bläckstråleutskrift är biotryck baserad på biobläck, som består av levande cellstrukturer. Så, i bioprinting, när en viss digital modell matas in, skrivs den specifika levande vävnaden ut och byggs upp lager för celllager. På grund av de mycket komplexa cellulära komponenterna i den levande kroppen, fortskrider 3D-bioprinting långsamt och komplexiteter som val av material, celler, faktorer, vävnader utgör ytterligare procedurmässiga utmaningar. Dessa komplexiteter kan lösas genom att bredda förståelsen genom att integrera teknologier från tvärvetenskapliga områden, t.ex. biologi, fysik och medicin.
Stora framsteg inom bioprinting
I en studie som publiceras i Avancerade funktionella material, har forskare utvecklat en 3D-bioprintningsteknik som använder celler och molekyler som normalt finns i naturliga vävnader (deras naturliga miljö) för att skapa konstruktioner eller design som liknar "riktiga" biologiska strukturer. Denna speciella bioprintteknik kombinerar "molekylär självmontering" med "3D-utskrift" för att skapa komplexa biomolekylära strukturer. Molekylär självmontering är en process genom vilken molekyler antar ett definierat arrangemang på egen hand för att utföra en specifik uppgift. Denna teknik integrerar "mikro- och makroskopisk kontroll av strukturella funktioner" som "3D-utskrift" ger med "molekylär och nanoskala kontroll" som möjliggörs av "molekylär självmontering". Den använder kraften hos molekylär självmontering för att stimulera cellerna som skrivs ut, vilket annars är en begränsning i 3D-utskrift när vanlig "3D-utskriftsbläck" inte ger detta medel för detta.
Forskare "bäddade in" strukturer i "biobläck" som liknar deras naturliga miljö inuti kroppen vilket gör att strukturerna beter sig som de skulle i kroppen. Detta biobläck, även kallat det självmonterande bläcket, hjälper till att kontrollera eller modulera kemiska och fysikaliska egenskaper under och efter tryckningen, vilket sedan gör det möjligt att stimulera cellbeteende i enlighet därmed. Den unika mekanismen när den appliceras på bioprinting tillåter oss att göra observationer om hur dessa celler fungerar i sina miljöer, vilket ger oss en ögonblicksbild och förståelse för det verkliga biologiska scenariot. Det ökar möjligheten att bygga biologiska 3D-strukturer genom att skriva ut flera typer av biomolekyler som kan sättas samman till väldefinierade strukturer i flera skalor.
Framtiden är mycket hoppfull!
Bioprinting-forskning används redan för att generera olika typer av vävnad och kan därför vara mycket viktig för vävnadsteknik och regenerativ medicin för att tillgodose behovet av vävnader och organ som är lämpliga för transplantation – hud, ben, transplantat, hjärtvävnad etc. Vidare, tekniken öppnar upp ett brett utbud av möjligheter att designa och skapa biologiska scenarier som komplexa och specifika cellmiljöer för att möjliggöra välstånd för vävnadsteknik genom att faktiskt skapa objekt eller konstruktioner -under digital kontroll och med molekylär precision- som liknar eller efterliknar vävnader i kroppen. Modellerna för levande vävnad, ben, blodkärl och potentiellt och hela organ är möjliga att skapa för medicinska procedurer, utbildning, testning, forskning och läkemedelsupptäcktsinitiativ. Mycket specifik generation av skräddarsydda patientspecifika konstruktioner kan hjälpa till att utforma korrekta, riktade och personliga behandlingar.
One of the biggest obstacles for bioprinting and 3D inkjet printing in general has been the development of an advanced, sophisticated software to meet the challenge at the first step of printing – creating an appropriate design or blueprint. For instance, the blueprint of non-living objects can be created easily but when it comes to creating digital models of say, a liver or heart, its challenging and not straightforward like most material objects. Bioprinting definitely has multitude advantages – precise control, repeatability and individual design but is still plagued with several challenges – the most important one being inclusion of multiple cell types in a spatial structure since a living environment is dynamic and not static. This study has contributed to advancement of 3D -biotryck and lot of obstacles can be removed by following their principles. It is clear that the real success of bioprinting has several facets attached to it. The most crucial aspect which can empower bioprinting is development of relevant and appropriate biomaterials, enhancement of the resolution of the printing and also vascularisation to be able to successfully apply this technology clinically. It does seem impossible to ‘create’ fully functioning and viable organs for human transplant by bioprinting but nevertheless this field is progressing fast and plenty of developments are on the forefront now in just a few years. It should be achievable to overcome most of the challenges attached with bioprinting since researchers and biomedical engineers are already on the path to successful complex bioprinting.
Vissa problem med Bioprinting
A critical point raised in the field of bioprinting is that it is almost impossible at this stage to test the efficacy and safety of any biological ‘personalised’ treatments being offered to patients using this technique. Also, costs associated with such treatments is a big issue especially where manufacturing is concerned. Though it is very much possible to develop functional organs that can replace human organs, but even then, currently there is no fool proof way to assess whether the patient’s body will accept new tissue or the artificial organ generated and whether such transplants will be successful at all.
Bioprinting is a growing market and will focus on the development of tissues and organs and maybe in a few decades new outcomes would be seen in 3D printed human organs and transplantationer. 3D bioprinting kommer att fortsätta att vara den viktigaste och mest relevanta medicinska utvecklingen i vår livstid.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamiskt guidad hierarkisk självmontering av peptid-proteinbiobläck. Avancerade funktionella material. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
