Vad är bioprinting?

Bioprinting, en typ av 3D-tryckning, använder celler och andra biologiska material som "bläck" för att tillverka biologiska 3D-strukturer. Biotryckta material har potential att reparera skadade organ, celler och vävnader i människokroppen. I framtiden kan biotryck användas för att bygga hela organ från grunden, en möjlighet som kan förändra området biotryck.

Material som kan biotryckas

Forskare har studerat biotrycket av många olika celltyper, inklusive stamceller, muskelceller och endotelceller. Flera faktorer avgör om ett material kan biotryckas eller inte. Först måste de biologiska materialen vara biokompatibla med materialen i bläcket och själva skrivaren. Dessutom påverkar den tryckta strukturens mekaniska egenskaper, liksom den tid det tar för organet eller vävnaden att mogna, också processen.

Bioinkar faller vanligtvis i en av två typer:

Vattenbaserade geler, eller hydrogeler, fungerar som 3D-strukturer där celler kan trivas. Hydrogener innehållande celler trycks i definierade former och polymererna i hydrogelerna sammanfogas eller "tvärbindas" så att den tryckta gelén blir starkare. Dessa polymerer kan vara naturligt härledda eller syntetiska, men bör vara kompatibla med cellerna.
Aggregat av celler som spontant smälter samman i vävnader efter tryckning.

Hur biotryck fungerar

Biotrycksprocessen har många likheter med 3D-tryckprocessen. Biotryck delas vanligtvis in i följande steg:

förbehandling: En 3D-modell baserad på en digital rekonstruktion av det organ eller vävnad som ska biotrycks. Denna rekonstruktion kan skapas baserat på bilder som tagits icke-invasivt (t.ex. med en MRI) eller genom en mer invasiv process, till exempel en serie tvådimensionella skivor avbildade med röntgenstrålar.
bearbetning: Vävnaden eller organet baserat på 3D-modellen i förbehandlingsstadiet skrivs ut. Liksom i andra typer av 3D-utskrift läggs materiallager successivt ihop för att skriva ut materialet.
Efterbehandling: Nödvändiga procedurer utförs för att förvandla utskriften till ett funktionellt organ eller vävnad. Dessa procedurer kan omfatta placering av trycket i en speciell kammare som hjälper celler att mogna ordentligt och snabbare.

Typer av bioprinters

Som med andra typer av 3D-utskrift kan bioinkar skrivas ut på flera olika sätt. Varje metod har sina egna distinkta fördelar och nackdelar.

Bläckstrålebaserad bioavtryck fungerar på samma sätt som en bläckstråleskrivare på kontoret. När en design skrivs ut med en bläckstråleskrivare avfyras bläck genom många små munstycken på papperet. Detta skapar en bild gjord av många små droppar som är så små att de inte är synliga för ögat. Forskare har anpassat bläckstråleskrivning för biotryck, inklusive metoder som använder värme eller vibrationer för att trycka bläck genom munstyckena. Dessa bioavtryckare är billigare än andra tekniker, men är begränsade till biovisningar med låg viskositet, vilket i sin tur kan begränsa de typer av material som kan skrivas ut.
Laser-assisterad bioprinting använder en laser för att flytta celler från en lösning till en yta med hög precision. Lasern värmer upp en del av lösningen, skapar en luftficka och förskjuter celler mot en yta. Eftersom denna teknik inte kräver små munstycken som i bläckstrålebaserad bioavtryck, kan material med högre viskositet, som inte lätt kan strömma genom munstycken, användas. Laserassisterad biotryck möjliggör också mycket hög precision. Emellertid kan värmen från lasern skada cellerna som skrivs ut. Dessutom kan tekniken inte lätt "skalas upp" för att snabbt skriva ut strukturer i stora mängder.
Extrusionsbaserad biotryck använder tryck för att tvinga material ur ett munstycke för att skapa fasta former. Denna metod är relativt mångsidig: biomaterial med olika viskositeter kan skrivas ut genom att justera trycket, men man bör vara försiktig eftersom högre tryck är mer benägna att skada cellerna. Ekstruderingsbaserad biotryck kan sannolikt skalas upp för tillverkning, men kanske inte är lika exakt som andra tekniker.
Elektrospray och biospinning biotryckare använda elektriska fält för att skapa droppar respektive fibrer. Dessa metoder kan ha upp till nanometernivå precision. Men de använder mycket hög spänning, vilket kan vara osäkert för celler.

Tillämpningar av bioprinting

Eftersom bioprinting möjliggör en exakt konstruktion av biologiska strukturer kan tekniken hitta många användningsområden inom biomedicin. Forskare har använt bioavtryck för att introducera celler för att hjälpa till att reparera hjärtat efter en hjärtattack samt att deponera celler i sårad hud eller brosk. Biotryck har använts för att tillverka hjärtventiler för möjlig användning hos patienter med hjärtsjukdom, bygga muskel- och benvävnader och hjälpa till att reparera nerver.

Även om mer arbete måste göras för att bestämma hur dessa resultat skulle fungera i en klinisk miljö, visar forskningen att bioprinting kan användas för att hjälpa till att regenerera vävnader under operation eller efter skada. Bioprinters kan i framtiden också möjliggöra att hela organ som lever eller hjärtan kan tillverkas från grunden och användas i organtransplantationer.

4D Bioprinting

Förutom 3D-biotryck har vissa grupper också undersökt 4D-bioavtryck, som tar hänsyn till den fjärde dimensionen av tiden. 4D bioprinting baseras på idén att de tryckta 3D-strukturerna kan fortsätta att utvecklas över tid, även efter att de har skrivits ut. Strukturerna kan således ändra form och / eller funktion när de utsätts för rätt stimulans, som värme. 4D-bioavtryck kan användas i biomedicinska områden, till exempel att göra blodkärl genom att dra fördel av hur vissa biologiska konstruktioner viks och rullar.

Framtiden

Även om bioprinting kan hjälpa till att rädda många liv i framtiden, har ett antal utmaningar ännu inte tagits upp. Till exempel kan de tryckta strukturerna vara svaga och oförmögna att behålla sin form efter att de har överförts till rätt plats på kroppen. Dessutom är vävnader och organ komplexa, som innehåller många olika typer av celler arrangerade på mycket exakta sätt. Nuvarande tryckteknologier kanske inte kan replikera sådana komplicerade arkitekturer.

Slutligen är befintliga tekniker också begränsade till vissa typer av material, ett begränsat antal viskositeter och begränsad precision. Varje teknik har potential att orsaka skador på cellerna och andra material som trycks. Dessa frågor kommer att behandlas när forskare fortsätter att utveckla biotryck för att hantera allt svårare tekniska och medicinska problem.

referenser

Att slå, pumpa hjärtceller genererade med 3D-skrivare kan hjälpa hjärtattack patienter, Sophie Scott och Rebecca Armitage, ABC.
Dababneh, A. och Ozbolat, I. “Bioprinting-teknik: En aktuell toppmodern översyn.” Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014, vol. 136, nr. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. och Xu, F. "4D bioprinting for biomedical toepassningar." Trender inom bioteknik, 2016, vol. 34, nr. 9, sid 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
Hong, N., Yang, G., Lee, J. och Kim, G. "3D-bioprinting och dess in vivo-applikationer." Journal of Biomedical Materials Research, 2017, vol. 106, nr. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G. och Markwald, P. "Orgeltryck: datorstödd jetbaserad 3D-vävnadsteknik." Trender inom bioteknik, 2003, vol. 21, nej. 4, sid 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
Murphy, S. och Atala, A. "3D-bioavtryck av vävnader och organ." Nature Biotechnology, 2014, vol. 32, nr. 8, sid 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. och Yoo, J. "Bioprinting-teknik och dess tillämpningar." European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2014, vol. 46, nr. 3, sid. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
Sun, W. och Lal, P. "Nyligen utvecklad datorstödd vävnadsteknik - en översyn." Datormetoder och program inom biomedicin, vol. 67, nr. 2, sid. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.

Vetenskap