Войти
Трехмерная (3D) биопечать - это использование 3D-печати - подобных методов для объединения клеток, факторов роста и биоматериалов для изготовления биомедицинских деталей, максимально имитирующих характеристики естественных 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. Однако 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 могут использоваться для регенерации суставов и связок.
Воспроизвести носитель Биопечать 3D извитых проксимальных канальцев почек на перфузионных чипах 3D биопечать обычно состоит из трех этапов: до биопечати, биопечати и после биопечати.
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 . Затем 2D-изображения отправляются на принтер для изготовления. После создания изображения определенные клетки выделяются и размножаются. Затем эти клетки смешиваются со специальным сжиженным материалом, который обеспечивает кислород и другие питательные вещества, чтобы поддерживать их жизнь. В некоторых процессах клетки инкапсулируются в клеточные сфероиды диаметром 500 мкм. Эта агрегация клеток не требует каркаса и необходима для помещения в трубчатое слияние тканей для таких процессов, как экструзия.
На втором этапе жидкая смесь клетки, матрица и питательные вещества, известные как биочернила, помещаются в картридж принтера и депонируются с использованием медицинских сканированных изображений пациентов. Когда пре-ткань с биопечатью переносится в инкубатор, эта пре-ткань на основе клеток созревает в ткань.
3D-биопечать для изготовления биологических конструкций обычно включает нанесение клеток на биосовместимый каркас с использованием последовательного послойного подхода для создания тканеподобных трехмерных структур. Было показано, что в искусственных органах, таких как печень и почки, созданные с помощью трехмерной биопечати, отсутствуют важные элементы, влияющие на организм, такие как рабочие 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. 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: фотолитография, магнитная биопечать, стереолитография и прямая экструзия клеток.
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. Для поддержания объекта необходимы как механические, так и химические воздействия. Эти стимуляции посылают сигналы клеткам, чтобы контролировать ремоделирование и рост тканей. Кроме того, в последнее время технологии биореакторов позволили быстрое созревание тканей, васкуляризацию тканей и способность выжить после трансплантатов.
Биореакторы работают либо в обеспечении конвективного транспорта питательных веществ, либо в создании микрогравитационной среды, либо в изменении давления, вызывающего раствор протекать через ячейки или добавлять сжатие для динамической или статической нагрузки. Каждый тип биореактора идеально подходит для разных типов тканей, например, компрессионные биореакторы идеально подходят для хрящевой ткани.
Исследователи в этой области разработали подходы для создания живых органов, которые сконструированы с соответствующими биологическими и механическими свойствами. Трехмерная биопечать основана на трех основных подходах: биомимикрия, автономная самосборка и строительные блоки мини-ткани.
Первый подход биомимикрии 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. Применение биомимикрии в биопечати предполагает создание как идентичных клеточных, так и внеклеточных частей органов. Чтобы этот подход был успешным, ткани должны воспроизводиться 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.
Второй подход биопечати - это автономная самосборка. Этот подход основан на физическом процессе развития эмбриональных органов в качестве модели для воспроизведения исследуемых тканей. Когда клетки находятся в раннем развитии, они создают свой собственный строительный блок внеклеточного матрикса, надлежащую клеточную передачу сигналов, а также независимую организацию и формирование паттерна для обеспечения требуемых биологических функций и микроархитектуры. Автономная самосборка требует конкретной информации о методах развития тканей и органов эмбриона. 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 основного движителя гистогенеза, определяющего строительные блоки, структурные и функциональные свойства этих тканей. Это требует более глубокого понимания того, как развиваются механизмы эмбриональных тканей, а также микроокружения, окружающего для создания биопринтированных тканей.
Третий подход биопринтинга - это сочетание обоих биомимикрий. и подходы самосборки, которые называются мини-тканями. Органы и ткани состоят из очень маленьких функциональных компонентов. В подходе к мини-тканям эти маленькие детали производятся и объединяются в более крупный каркас.
3D биопринтер Подобно обычным чернильным принтерам, биопринтеры состоят из трех основных компонентов. Это используемые аппаратные средства, тип биочернил и материал, на котором они напечатаны (биоматериалы). «Биочернила - это материал, состоящий из живых клеток, который ведет себя во многом как жидкость, что позволяет людям« печатать »его, чтобы создать желаемую форму. Чтобы сделать биочернила, ученые создают суспензию клеток, в которую можно загружать картридж и вставлен в специально разработанный принтер вместе с другим картриджем, содержащим гель, известный как биобумага ». 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. Принтеры, в которых используются лазеры, обеспечивают печать с высоким разрешением; однако эти принтеры часто бывают дорогими. Экструзионные принтеры печатают ячейки слой за слоем, как и 3D-печать для создания 3D-конструкций. В дополнение к клеткам, экструзионные принтеры могут также использовать гидрогели, пропитанные клетками.
Есть несколько приложений для 3D-биопечати в области медицины. Младенцу с редким респираторным заболеванием, известным как трахеобронхомаляция (TBM), была наложена трахеальная шина, созданная с помощью 3D-печати. 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. Эта технология также потенциально может применяться к костям, коже, хрящам и мышцам. Хотя одной из долгосрочных целей технологии 3D-биопечати является реконструкция целого органа, печать полностью функциональных органов не достигла большого успеха. В отличие от имплантируемых стентов, органы имеют сложную форму и их значительно труднее поддаются биопечати. Например, сердце с биопечатью должно отвечать не только структурным требованиям, но также требованиям васкуляризации, механической нагрузки и распространения электрического сигнала. В 2019 году израильские исследователи сконструировали сердце размером с кролика из человеческих клеток.
3D-биопечать способствует значительному прогрессу в медицинской области тканевой инженерии, позволяя будут проведены 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. Синтетические гидрогели также широко распространены, 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. Инженеры также изучают другие варианты, такие как печать микроканалов, которые могут максимизировать диффузию питательных веществ и кислорода из соседних тканей. Кроме того, Агентство по снижению угроз 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.
 | Поищите bioprinting в Wiktionary, бесплатном словаре. |
