Forståelse af bioprint og dens anvendelser

Bioprinting, en type 3D-udskrivning, bruger celler og andre biologiske materialer som "blæk" til at fremstille biologiske 3D-strukturer. Bioprintede materialer har potentialet til at reparere beskadigede organer, celler og væv i den menneskelige krop. I fremtiden kan bioaftryk bruges til at opbygge hele organer fra bunden af, en mulighed, der kan omdanne bioprinterområdet.

Forskere har undersøgt bioprintingen af ​​mange forskellige celletyper, inklusive stamceller, muskelceller og endotelceller. Flere faktorer bestemmer, om et materiale kan bioprinteres eller ej. For det første skal de biologiske materialer være biokompatible med materialerne i blækket og selve printeren. Derudover påvirker de mekaniske egenskaber ved den trykte struktur såvel som den tid det tager for organet eller vævet at modne, også processen.

Bioinks falder typisk ind i en af ​​to typer:

• Vandbaserede gelereller hydrogeler fungerer som 3D-strukturer, hvor celler kan trives. Hydrogener, der indeholder celler, trykkes i definerede former, og
  instagram viewer
  polymerer i hydrogelerne er sammenføjet eller "tværbundet", så den trykte gel bliver stærkere. Disse polymerer kan være naturligt afledte eller syntetiske, men bør være kompatible med cellerne.
• Aggregater af celler der spontant smelter sammen i væv efter udskrivning.

Bioprintingsprocessen har mange ligheder med 3D-udskrivningsprocessen. Bioprinting er generelt opdelt i følgende trin:

• forbehandling: Der udarbejdes en 3D-model baseret på en digital rekonstruktion af det organ eller væv, der skal bioprinteres. Denne rekonstruktion kan oprettes baseret på billeder, der er taget ikke-invasivt (f.eks. Med en MR) eller gennem en mere invasiv proces, såsom en række to-dimensionelle skiver, der er afbildet med røntgenstråler.
• Forarbejdning: Vævet eller organet baseret på 3D-modellen i forarbejdningstrinnet udskrives. Ligesom i andre typer 3D-udskrivning tilføjes successivt lag af materiale for at udskrive materialet.
• Efterbehandling: Nødvendige procedurer udføres for at omdanne udskriften til et funktionelt organ eller væv. Disse procedurer kan omfatte placering af udskriften i et specielt kammer, der hjælper celler med at modne korrekt og hurtigere.

Som med andre typer 3D-udskrivning kan bioink udskrives på flere forskellige måder. Hver metode har sine forskellige fordele og ulemper.

• Inkjet-baseret bioprint fungerer på samme måde som en kontorblækprinter. Når et design udskrives med en inkjetprinter, fyres blæk gennem mange små dyser på papiret. Dette skaber et billede lavet af mange små dråber, de er ikke synlige for øjet. Forskere har tilpasset inkjetprint til bioprint, herunder metoder, der bruger varme eller vibrationer til at skubbe blæk gennem dyserne. Disse bioprintere er mere overkommelige end andre teknikker, men er begrænset til bioinkinks med lav viskositet, hvilket igen kan begrænse de typer materialer, der kan udskrives.
• Laser-assisteretbioprinting bruger en laser til at flytte celler fra en opløsning til en overflade med høj præcision. Laseren opvarmer en del af løsningen, skaber en luftlomme og forskyder celler mod en overflade. Da denne teknik ikke kræver små dyser som ved inkjet-baseret bioprint, kan materialer med højere viskositet, som ikke let kan strømme gennem dyserne, anvendes. Laserassisteret bioprint muliggør også meget høj præcisionsudskrivning. Imidlertid kan varmen fra laseren skade cellerne, der udskrives. Yderligere kan teknikken ikke let "skaleres op" for hurtigt at udskrive strukturer i store mængder.
• Ekstruderingsbaseret bioprint bruger tryk til at tvinge materiale ud af en dyse til at skabe faste former. Denne metode er relativt alsidig: biomaterialer med forskellige viskositeter kan udskrives af justering af trykket, skønt der skal udvises omhu, da højere tryk mere sandsynligt beskadiger celler. Ekstruderingsbaseret bioprint kan sandsynligvis opskaleres til fremstilling, men er muligvis ikke så præcis som andre teknikker.
• Elektrospray og elektrospiningsbioprintere gøre brug af elektriske felter til at skabe henholdsvis dråber eller fibre. Disse metoder kan have op til nanometerniveauet præcision. De bruger dog meget høj spænding, hvilket kan være utrygt for celler.

Fordi bioprint muliggør en nøjagtig konstruktion af biologiske strukturer, kan teknikken finde mange anvendelser inden for biomedicin. Forskere har brugt bioprint til at introducere celler til at hjælpe med at reparere hjertet efter et hjerteanfald samt deponere celler i såret hud eller brusk. Bioprintning er blevet brugt til at fremstille hjerteklapper til mulig brug hos patienter med hjertesygdom, opbygge muskel- og knoglevæv og hjælpe med at reparere nerver.

Selvom der skal gøres mere arbejde for at bestemme, hvordan disse resultater vil fungere i kliniske omgivelser, undersøgelsen viser, at bioprint kan bruges til at hjælpe med at regenerere væv under operation eller efter skade. Bioprintere kunne i fremtiden også gøre det muligt at fremstille hele organer som lever eller hjerter fra bunden og bruges i organtransplantationer.

Ud over 3D-bioprintning har nogle grupper også undersøgt 4D bioprinting, der tager højde for den fjerde dimension af tiden. 4D-bioprint er baseret på ideen om, at de trykte 3D-strukturer kan fortsætte med at udvikle sig over tid, selv efter at de er blevet udskrevet. Strukturerne kan således ændre deres form og / eller funktion, når de udsættes for den rigtige stimulus, som varme. 4D-bioprint kan finde anvendelse i biomedicinske områder, såsom at fremstille blodkar ved at drage fordel af, hvordan nogle biologiske konstruktioner foldes og ruller.

Selvom bioprint kan hjælpe med at redde mange liv i fremtiden, er en række udfordringer endnu ikke adresseret. For eksempel kan de trykte strukturer være svage og ude af stand til at bevare deres form, efter at de er overført til det passende sted på kroppen. Endvidere er væv og organer komplekse, der indeholder mange forskellige typer celler arrangeret på meget præcise måder. Nuværende udskrivningsteknologier er muligvis ikke i stand til at gentage sådanne komplicerede arkitekturer.

Endelig er eksisterende teknikker også begrænset til visse typer materialer, et begrænset udvalg af viskositeter og begrænset præcision. Hver teknik har potentialet til at forårsage skade på cellerne og andre materialer, der udskrives. Disse spørgsmål vil blive behandlet, når forskere fortsætter med at udvikle bioprint for at tackle stadig sværere tekniske og medicinske problemer.

• At slå, pumpe hjerteceller genereret ved hjælp af 3D-printer kan hjælpe hjerteanfaldspatienter, Sophie Scott og Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A. og Ozbolat, I. “Bioprinting-teknologi: En aktuel avanceret gennemgang.” 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. og Xu, F. “4D bioprint til biomedicinske applikationer.” Tendenser inden for bioteknologi, 2016, vol. 34, nr. 9, pp. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. og Kim, G. “3D-bioprint og dens 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., og Markwald, P. “Orgeltryk: computerstøttet jetbaseret 3D-vævsteknik.” Tendenser inden for bioteknologi, 2003, vol. 21, nr. 4, pp. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S., og Atala, A. “3D-bioaftryk af væv og organer.” Naturbioteknologi, 2014, vol. 32, nr. 8, pp. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. og Yoo, J. "Bioprinting-teknologi og dens applikationer." European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2014, vol. 46, nr. 3, pp. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. og Lal, P. “Seneste udvikling på computerstøttet vævsteknik - en gennemgang.” Computermetoder og programmer i biomedicin, vol. 67, nr. 2, pp. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.