Lielajā 3D biodrukas tehnikas attīstībā šūnas un audi ir radīti tā, lai tie izturētos līdzīgi savā dabiskajā vidē, lai izveidotu “īstas” bioloģiskas struktūras.
3D druka ir procedūra, kurā materiāls tiek pievienots kopā un tādējādi savienots vai nostiprināts datora digitālā kontrolē, lai izveidotu trīsdimensiju objektu vai vienību. Ātrā prototipēšana un piedevu ražošana ir citi termini, kas tiek lietoti, lai aprakstītu šo sarežģītu objektu vai entītiju izveides paņēmienu, kārtojot materiālu un pakāpeniski veidojot vai vienkārši “piedevu” metodi. Šī ievērojamā tehnoloģija pastāv jau trīs gadu desmitus pēc oficiālās atklāšanas 1987. gadā, tikai nesen tā ir kļuvusi uzmanības centrā un kļuva populāra, jo tā ir ne tikai līdzeklis prototipu izgatavošanai, bet gan pilnvērtīgu funkcionālu komponentu piedāvājums. Tāds ir iespēju potenciāls 3D drukāšanu, ka tagad tas virza lielas inovācijas daudzās jomās, tostarp inženierzinātnēs, ražošanā un medicīnā.
Ir pieejamas dažāda veida piedevu ražošanas metodes, kas veic tās pašas darbības, lai sasniegtu gala rezultātu. Pirmajā svarīgajā posmā dizains tiek izveidots, izmantojot CAD (Computer-Aided-Design) programmatūru datorā, ko sauc par digitālo projektu. Šī programmatūra var paredzēt, kā izveidosies galīgā struktūra un arī uzvedīsies, tāpēc šis pirmais solis ir vitāli svarīgs laba rezultāta sasniegšanai. Šis CAD dizains pēc tam tiek pārveidots tehniskā formātā (saukts par .stl failu vai standarta teselācijas valodu), kas ir nepieciešams, lai 3D printeris varētu interpretēt dizaina norādījumus. Pēc tam ir jāiestata 3D printeris (līdzīgs parastajam, mājas vai biroja 2D printerim) faktiskajai drukāšanai — tas ietver izmēra un orientācijas konfigurēšanu, ainavas vai portreta izdruku izvēli, printera kasetņu piepildīšanu ar pareizo pulveri. . The 3D printeris tad sākas drukāšanas process, pakāpeniski veidojot dizainu pa vienam mikroskopiskam materiāla slānim. Šī slāņa biezums parasti ir aptuveni 0.1 mm, lai gan to var pielāgot, lai tas atbilstu konkrētam drukājamam objektam. Visa procedūra lielākoties ir automatizēta un nav nepieciešama fiziska iejaukšanās, tikai periodiskas pārbaudes, lai nodrošinātu pareizu funkcionalitāti. Konkrēta objekta pabeigšana aizņem no vairākām stundām līdz dienām, atkarībā no dizaina lieluma un sarežģītības. Turklāt, tā kā tā ir “piedevu” metodoloģija, tā ir ekonomiska, videi draudzīga (bez izšķērdēšanas), kā arī sniedz daudz plašākas iespējas dizainam.
Nākamais līmenis: 3D biodruka
Biodrukāšana ir tradicionālās 3D drukāšanas paplašinājums ar jaunākajiem sasniegumiem, kas ļauj 3D drukāšanu izmantot bioloģiskiem dzīviem materiāliem. Lai gan 3D tintes drukāšana jau tiek izmantota progresīvu medicīnisko ierīču un rīku izstrādei un ražošanai, ir jāattīsta vēl viens solis, lai drukātu, skatītu un izprastu bioloģiskās molekulas. Būtiskā atšķirība ir tā, ka atšķirībā no tintes drukas, biodrukāšanas pamatā ir biotinte, kas sastāv no dzīvu šūnu struktūrām. Tātad biodrukā, kad tiek ievadīts konkrēts digitālais modelis, konkrētie dzīvie audi tiek izdrukāti un veidoti slāni pa šūnas slānim. Dzīvā ķermeņa ļoti sarežģīto šūnu komponentu dēļ 3D biodrukāšana progresē lēni, un sarežģījumi, piemēram, materiālu, šūnu, faktoru un audu izvēle, rada papildu procesuālas problēmas. Šīs sarežģītības var risināt, paplašinot izpratni, integrējot tehnoloģijas no starpdisciplinārām jomām, piemēram, bioloģijas, fizikas un medicīnas.
Liels progress biodrukāšanā
Pētījumā, kas publicēts Uzlaboti funkcionālie materiāli, pētnieki ir izstrādājuši 3D biodrukas paņēmienu, kas izmanto šūnas un molekulas, kas parasti atrodas dabiskajos audos (to dabiskajā vidē), lai izveidotu konstrukcijas vai dizainus, kas atgādina “īstas” bioloģiskas struktūras. Šī īpašā biodrukas tehnika apvieno "molekulāro pašsavienošanos" ar "3D drukāšanu", lai izveidotu sarežģītas biomolekulāras struktūras. Molekulārā pašsavienošanās ir process, kurā molekulas pašas pieņem noteiktu izkārtojumu, lai veiktu konkrētu uzdevumu. Šis paņēmiens integrē “strukturālo iezīmju mikro- un makroskopisko kontroli”, ko “3D drukāšana” nodrošina ar “molekulāro un nanomēroga vadību”, ko nodrošina “molekulārā pašsavienošanās”. Tas izmanto molekulārās pašsavienošanās spēku, lai stimulētu drukātās šūnas, kas citādi ir 3D drukāšanas ierobežojums, ja parastā “3D drukas tinte” nenodrošina šo līdzekli.
Pētnieki “iestrādāja” struktūras “bio tintē”, kas ir līdzīga to dabiskajai videi ķermeņa iekšienē, liekot struktūrām rīkoties tā, kā tās darbotos ķermenī. Šī biotinte, ko sauc arī par pašsavienojošo tinti, palīdz kontrolēt vai modulēt ķīmiskās un fizikālās īpašības drukāšanas laikā un pēc tās, kas pēc tam ļauj attiecīgi stimulēt šūnu uzvedību. Unikāls mehānisms, kad tiek piemērots biodrukāšana ļauj mums veikt novērojumus par to, kā šīs šūnas darbojas savā vidē, tādējādi sniedzot mums momentuzņēmumu un izpratni par reālo bioloģisko scenāriju. Tas palielina iespēju veidot 3D bioloģiskas struktūras, izdrukājot vairāku veidu biomolekulas, kas spēj salikt precīzi noteiktās struktūrās dažādos mērogos.
Nākotne ir ļoti cerīga!
Biodrukas pētījumi jau tiek izmantoti, lai radītu dažāda veida audus, un tāpēc tie var būt ļoti svarīgi audu inženierijā un reģeneratīvajā medicīnā, lai risinātu vajadzību pēc transplantācijai piemērotiem audiem un orgāniem – ādai, kauliem, transplantātiem, sirds audiem utt. paver plašas iespējas izstrādāt un radīt bioloģiskus scenārijus, piemēram, sarežģītas un specifiskas šūnu vides, lai veicinātu audu inženierijas uzplaukumu, faktiski radot objektus vai konstrukcijas digitālā kontrolē un ar molekulāro precizitāti, kas atgādina vai atdarina ķermeņa audus. Ir iespējams izveidot dzīvo audu, kaulu, asinsvadu un, iespējams, veselu orgānu modeļus medicīniskām procedūrām, apmācībai, testēšanai, izpētei un zāļu atklāšanas iniciatīvām. Ļoti specifiska pielāgotu, pacientam raksturīgu konstrukciju paaudze var palīdzēt izstrādāt precīzu, mērķtiecīgu un personalizētu ārstēšanu.
Viens no lielākajiem šķēršļiem biodrukāšanai un 3D tintes drukāšanai kopumā ir bijusi progresīvas, sarežģītas programmatūras izstrāde, kas atbilst izaicinājumam pirmajā drukāšanas posmā – atbilstoša dizaina vai projekta izveidei. Piemēram, nedzīvu objektu projektu var izveidot viegli, bet, ja runa ir par aknām vai sirds digitālo modeļu izveidi, tas ir izaicinošs un nav tik vienkārši kā vairums materiālo objektu. Biodrukāšanai noteikti ir daudz priekšrocību – precīza kontrole, atkārtojamība un individuāls dizains, taču tā joprojām ir pakļauta vairākiem izaicinājumiem, no kuriem vissvarīgākais ir vairāku šūnu tipu iekļaušana telpiskā struktūrā, jo dzīves vide ir dinamiska, nevis statiska. Šis pētījums ir veicinājis 3D biodrukas attīstību, un, ievērojot to principus, var novērst daudzus šķēršļus. Ir skaidrs, ka patiesajiem biodrukas panākumiem ir vairāki aspekti. Vissvarīgākais aspekts, kas var dot iespēju biodrukāšanai, ir atbilstošu un piemērotu biomateriālu izstrāde, drukas izšķirtspējas uzlabošana un arī vaskularizācija, lai šo tehnoloģiju varētu veiksmīgi pielietot klīniski. Šķiet, ka ir neiespējami “izveidot” pilnībā funkcionējošus un dzīvotspējīgus orgānus cilvēka transplantācijai, izmantojot biodruku, bet tomēr šī joma progresē strauji, un tagad tikai dažu gadu laikā priekšplānā ir daudz notikumu. Tam vajadzētu būt sasniedzamam, lai pārvarētu lielāko daļu ar biodruku saistīto problēmu, jo pētnieki un biomedicīnas inženieri jau ir ceļā uz veiksmīgu kompleksu biodruku.
Dažas problēmas ar biodruku
Bioprintēšanas jomā izvirzītais kritiskais punkts ir tāds, ka šajā posmā ir gandrīz neiespējami pārbaudīt jebkuras bioloģiskas “personalizētas” ārstēšanas efektivitāti un drošību, kas tiek piedāvāta pacientiem, izmantojot šo metodi. Arī izmaksas, kas saistītas ar šādu ārstēšanu, ir liela problēma, jo īpaši attiecībā uz ražošanu. Lai gan ir ļoti iespējams izveidot funkcionālus orgānus, kas var aizstāt cilvēka orgānus, taču pat tad šobrīd nav viennozīmīga veida, kā novērtēt, vai pacienta ķermenis pieņems jaunus audus vai radīto mākslīgo orgānu un vai šādas transplantācijas būs veiksmīgas visi.
Biodrukāšana ir augošs tirgus, un tā koncentrēsies uz audu un orgānu attīstību, un varbūt pēc dažām desmitgadēm jauni rezultāti būs redzami 3D drukātajos cilvēka orgānos un transplantācijās. 3D biodrukāšana joprojām būs vissvarīgākā un svarīgākā medicīnas attīstība mūsu mūžā.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
Hedegaard CL 2018. Hidrodinamiski vadīta peptīdu-olbaltumvielu biotinšu hierarhiskā pašsavienošanās. Uzlaboti funkcionālie materiāli. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
