V rámci významného pokroku v technice 3D biotisku byly buňky a tkáně vytvořeny tak, aby se chovaly jako ve svém přirozeném prostředí, aby vytvořily „skutečné“ biologické struktury.
3D tisk je postup, při kterém se materiál sčítá a tím se spojuje nebo zpevňuje pod digitální kontrolou počítače, aby se vytvořil trojrozměrný objekt nebo entita. Rapid Prototyping a Additive Manufacturing jsou další termíny používané k popisu této techniky vytváření složitých objektů nebo entit vrstvením materiálu a postupným budováním – nebo jednoduše „aditivní“ metoda. Tato pozoruhodná technologie existuje již tři desetiletí poté, co byla oficiálně objevena v roce 1987, teprve nedávno se dostala do centra pozornosti a popularity jako prostředek nejen k výrobě prototypů, ale spíše nabízí plnohodnotné funkční komponenty. Takový je potenciál možností 3D tisku, který je nyní hnacím motorem velkých inovací v mnoha oblastech včetně strojírenství, výroby a medicíny.
K dispozici jsou různé typy aditivních výrobních metod, které se řídí stejnými kroky k dosažení konečného konečného výsledku. V prvním zásadním kroku je návrh vytvořen pomocí softwaru CAD (Computer-Aided-Design) na počítači – tzv. digitálního návrhu. Tento software dokáže předvídat, jak bude finální struktura vypadat a také se chovat, proto je tento první krok nezbytný pro dobrý výsledek. Tento CAD návrh je poté převeden do technického formátu (nazývaného soubor .stl nebo standardní teselační jazyk), který je vyžadován pro 3D tiskárnu, aby byla schopna interpretovat pokyny návrhu. Dále je potřeba nastavit 3D tiskárnu (podobně jako běžnou, domácí nebo kancelářskou 2D tiskárnu) pro vlastní tisk – to zahrnuje konfiguraci velikosti a orientace, volbu tisku na šířku nebo na výšku, naplnění kazet tiskárny správným práškem . The 3D tiskárna poté zahájí proces tisku a postupně vytváří design po jedné mikroskopické vrstvě materiálu. Tato vrstva má obvykle tloušťku kolem 0.1 mm, i když ji lze upravit tak, aby vyhovovala konkrétnímu předmětu, který se tiskne. Celý postup je většinou automatizovaný a není potřeba žádný fyzický zásah, pouze periodické kontroly pro zajištění správné funkčnosti. Dokončení konkrétního objektu trvá několik hodin až dní v závislosti na velikosti a složitosti návrhu. Dále, protože se jedná o „aditivní“ metodologii, je ekonomická, ekologická (bez plýtvání) a také poskytuje mnohem větší prostor pro návrhy.
Další úroveň: 3D biotisk
Biotisk je rozšířením tradičního 3D tisku s nejnovějšími pokroky umožňujícími 3D tisk aplikovat na biologické živé materiály. Zatímco 3D inkoustový tisk se již používá k vývoji a výrobě pokročilých lékařských zařízení a nástrojů, je třeba vyvinout další krok k tisku, prohlížení a pochopení biologických molekul. Zásadním rozdílem je, že na rozdíl od inkoustového tisku je biotisk založen na bioinkoustu, který se skládá ze struktur živých buněk. Takže při biotisku, když je vložen konkrétní digitální model, je vytištěna konkrétní živá tkáň a vytvořena vrstva po vrstvě buňky. Vzhledem k vysoce komplexním buněčným složkám živého těla postupuje 3D biotisk pomalu a složitosti, jako je výběr materiálů, buněk, faktorů, tkání, představují další procedurální výzvy. Tyto složitosti lze řešit rozšířením porozumění integrací technologií z interdisciplinárních oblastí, např. biologie, fyziky a medicíny.
Velký pokrok v biotisku
Ve studii publikované v Pokročilé funkční materiály, výzkumníci vyvinuli techniku 3D biotisku, která využívá buňky a molekuly běžně se vyskytující v přírodních tkáních (jejich přirozeném prostředí) k vytvoření konstrukcí nebo vzorů, které se podobají „skutečným“ biologickým strukturám. Tato konkrétní technika biotisku kombinuje „molekulární sebeskládání“ s „3D tiskem“ za účelem vytvoření komplexních biomolekulárních struktur. Molekulární samouspořádání je proces, při kterém molekuly samy přijmou definované uspořádání, aby mohly vykonávat konkrétní úkol. Tato technika integruje „mikroskopickou a makroskopickou kontrolu strukturních prvků“, kterou „3D tisk“ poskytuje, s „kontrolou v molekulárním a nanoměřítku“, kterou umožňuje „samoorganizace molekul“. Využívá sílu molekulárního samouspořádání ke stimulaci buněk, které se tisknou, což je jinak omezení ve 3D tisku, když běžná „3D tiskařská barva“ tento prostředek neposkytuje.
Výzkumníci „zabudovali“ struktury do „bio inkoustu“, který je podobný jejich přirozenému prostředí uvnitř těla, díky čemuž se struktury chovají tak, jak by se chovaly v těle. Tento bioinkoust, nazývaný také samoskládající se inkoust, pomáhá řídit nebo modulovat chemické a fyzikální vlastnosti během tisku a po něm, což pak umožňuje odpovídajícím způsobem stimulovat chování buněk. Jedinečný mechanismus při aplikaci biotisk nám umožňuje provádět pozorování toho, jak tyto buňky fungují ve svém prostředí, a tím nám poskytuje snímek a pochopení skutečného biologického scénáře. Zvyšuje možnost budování 3D biologických struktur tiskem více typů biomolekul schopných sestavení do dobře definovaných struktur v různých měřítcích.
Budoucnost je velmi nadějná!
Bioprintingový výzkum se již používá ke generování různých typů tkání, a proto může být velmi důležitý pro tkáňové inženýrství a regenerativní medicínu při řešení potřeby tkání a orgánů vhodných pro transplantaci – kůže, kosti, štěpy, srdeční tkáň atd. otevírá širokou škálu možností navrhovat a vytvářet biologické scénáře, jako jsou složitá a specifická buněčná prostředí, aby umožnila prosperitu tkáňového inženýrství skutečným vytvářením objektů nebo konstrukcí – pod digitální kontrolou as molekulární přesností – které se podobají nebo napodobují tkáně v těle. Modely živých tkání, kostí, krevních cév a potenciálně i celých orgánů je možné vytvořit pro lékařské postupy, školení, testování, výzkum a iniciativy na objevování léků. Velmi specifická generace přizpůsobených konstrukcí specifických pro pacienta může pomoci při navrhování přesné, cílené a personalizované léčby.
Jednou z největších překážek pro biotisk a 3D inkoustový tisk obecně byl vývoj pokročilého, sofistikovaného softwaru, který by čelil výzvě v prvním kroku tisku – vytvoření vhodného návrhu nebo plánu. Například plán neživých objektů lze vytvořit snadno, ale pokud jde o vytváření digitálních modelů, řekněme jater nebo srdce, je to náročné a ne přímočaré jako většina hmotných objektů. Biotisk má rozhodně mnoho výhod – přesné ovládání, opakovatelnost a individuální design, ale stále se potýká s několika výzvami – z nichž nejdůležitější je začlenění více typů buněk do prostorové struktury, protože životní prostředí je dynamické a ne statické. Tato studie přispěla k rozvoji 3D biotisku a mnoho překážek lze odstranit dodržováním jejich principů. Je jasné, že skutečný úspěch biotisku má několik aspektů. Nejdůležitějším aspektem, který může podpořit biotisk, je vývoj relevantních a vhodných biomateriálů, zvýšení rozlišení tisku a také vaskularizace, aby bylo možné tuto technologii úspěšně klinicky aplikovat. Zdá se nemožné „vytvořit“ plně funkční a životaschopné orgány pro lidskou transplantaci pomocí biotisku, ale přesto se tato oblast rychle rozvíjí a mnoho pokroků je nyní v popředí již za několik let. Mělo by být dosažitelné překonat většinu problémů spojených s biotiskem, protože výzkumníci a biomedicínští inženýři jsou již na cestě k úspěšnému komplexnímu biotisku.
Některé problémy s Bioprintingem
Kritický bod vznesený v oblasti biotisku je, že v této fázi je téměř nemožné otestovat účinnost a bezpečnost jakékoli biologické „personalizované“ léčby nabízené pacientům pomocí této techniky. Také náklady spojené s takovými úpravami jsou velkým problémem, zejména pokud jde o výrobu. Je sice velmi dobře možné vyvinout funkční orgány, které mohou nahradit lidské orgány, ale ani tehdy v současné době neexistuje žádný hloupý způsob, jak posoudit, zda tělo pacienta přijme novou tkáň nebo vytvořený umělý orgán a zda budou takové transplantace úspěšné. Všechno.
Bioprinting je rostoucí trh a zaměří se na vývoj tkání a orgánů a možná za několik desetiletí budou vidět nové výsledky v 3D tištěných lidských orgánech a transplantacích. 3D biotisk bude i nadále nejdůležitějším a nejdůležitějším medicínským vývojem našeho života.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamicky vedené hierarchické samosestavení peptid-proteinových bioinků. Pokročilé funkční materiály. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
