Dalam kemajuan besar dalam teknik bioprinting 3D, sel dan tisu telah dicipta untuk berkelakuan seperti dalam persekitaran semula jadi mereka untuk membina struktur biologi 'sebenar'
Percetakan 3D ialah prosedur di mana bahan ditambah bersama-sama dan dengan itu dicantum atau dikukuhkan di bawah kawalan digital komputer untuk mencipta objek atau entiti tiga dimensi. Prototaip Pantas dan Pembuatan Tambahan ialah istilah lain yang digunakan untuk menerangkan teknik penciptaan objek atau entiti kompleks ini dengan melapis bahan dan dibina secara beransur-ansur – atau hanya kaedah 'tambahan'. Teknologi luar biasa ini telah wujud selama tiga dekad selepas ditemui secara rasmi pada tahun 1987, hanya baru-baru ini ia telah ditonjolkan menjadi tumpuan dan populariti sebagai bukan sahaja cara untuk menghasilkan prototaip tetapi menawarkan komponen berfungsi sepenuhnya. Begitulah potensi kemungkinan 3D percetakan bahawa ia kini memacu inovasi utama dalam banyak bidang termasuk kejuruteraan, pembuatan dan perubatan.
Pelbagai jenis kaedah pembuatan aditif tersedia yang mengikut langkah yang sama untuk mencapai hasil akhir akhir. Dalam langkah penting pertama, reka bentuk dicipta menggunakan perisian CAD (Computer-Aided-Design) pada komputer yang dipanggil pelan tindakan digital. Perisian ini boleh meramalkan bagaimana struktur akhir akan berubah dan juga berkelakuan, oleh itu langkah pertama ini penting untuk hasil yang baik. Reka bentuk CAD ini kemudiannya ditukar kepada format teknikal (dipanggil fail .stl atau bahasa teselasi standard) yang diperlukan untuk pencetak 3D dapat mentafsir arahan reka bentuk. Seterusnya, pencetak 3D perlu disediakan (serupa dengan pencetak 2D biasa, rumah atau pejabat) untuk pencetakan sebenar – ini termasuk mengkonfigurasi saiz dan orientasi, memilih cetakan landskap atau potret, mengisi kartrij pencetak dengan serbuk yang betul . The pencetak 3D kemudian memulakan proses pencetakan, secara beransur-ansur membina reka bentuk satu lapisan mikroskopik bahan pada satu masa. Lapisan ini biasanya sekitar 0.1mm dalam ketebalan walaupun ia boleh disesuaikan untuk disesuaikan dengan objek tertentu yang dicetak. Keseluruhan prosedur kebanyakannya automatik dan tiada campur tangan fizikal diperlukan, hanya pemeriksaan berkala untuk memastikan kefungsian yang betul. Objek tertentu mengambil masa beberapa jam hingga beberapa hari untuk disiapkan, bergantung pada saiz dan kerumitan reka bentuk. Selain itu, memandangkan ia merupakan metodologi 'tambahan', ia adalah menjimatkan, mesra alam (tanpa pembaziran) dan juga menyediakan skop yang lebih besar untuk reka bentuk.
Peringkat seterusnya: Pencetakan Bio 3D
Bioprinting ialah lanjutan daripada percetakan 3D tradisional dengan kemajuan terkini yang membolehkan pencetakan 3D digunakan pada bahan hidup biologi. Walaupun pencetakan inkjet 3D telah digunakan untuk membangun dan mengeluarkan peranti dan alatan perubatan termaju, satu langkah selanjutnya perlu dibangunkan untuk mencetak, melihat dan memahami molekul biologi. Perbezaan penting ialah tidak seperti percetakan inkjet, bioprinting adalah berdasarkan bio-dakwat, yang terdiri daripada struktur sel hidup. Jadi, dalam bioprinting, apabila model digital tertentu dimasukkan, tisu hidup khusus dicetak dan dibina lapisan demi lapisan sel. Oleh kerana komponen selular yang sangat kompleks bagi badan hidup, pencetakan bio 3D sedang berjalan dengan perlahan dan kerumitan seperti pilihan bahan, sel, faktor, tisu menimbulkan cabaran prosedur tambahan. Kerumitan ini boleh diatasi dengan meluaskan pemahaman dengan menyepadukan teknologi daripada bidang antara disiplin contohnya biologi, fizik dan perubatan.
Kemajuan besar dalam bioprinting
Dalam satu kajian yang diterbitkan dalam Bahan Fungsian Lanjutan, penyelidik telah membangunkan teknik bioprinting 3D yang menggunakan sel dan molekul yang biasanya ditemui dalam tisu semula jadi (persekitaran asalnya) untuk mencipta binaan atau reka bentuk yang menyerupai struktur biologi 'sebenar'. Teknik bioprinting khusus ini menggabungkan 'pemasangan kendiri molekul' dengan 'pencetakan 3D' untuk mencipta struktur biomolekul yang kompleks. Perhimpunan sendiri molekul ialah satu proses di mana molekul menggunakan susunan yang ditentukan sendiri untuk melaksanakan tugas tertentu. Teknik ini menyepadukan 'kawalan mikro dan makroskopik ciri struktur' yang 'percetakan 3D' menyediakan dengan 'kawalan skala molekul dan nano' yang didayakan oleh 'pemasangan kendiri molekul'. Ia menggunakan kuasa pemasangan sendiri molekul untuk merangsang sel yang sedang dicetak, yang sebaliknya merupakan had dalam percetakan 3D apabila 'dakwat cetakan 3D' biasa tidak menyediakan cara ini untuk ini.
Penyelidik 'membenamkan' struktur dalam 'dakwat bio' yang serupa dengan persekitaran asal mereka di dalam badan menjadikan struktur berkelakuan seperti di dalam badan. Dakwat bio ini, juga dipanggil dakwat pemasangan sendiri membantu mengawal atau memodulasi sifat kimia dan fizikal semasa dan selepas pencetakan, yang kemudiannya membolehkan untuk merangsang tingkah laku sel dengan sewajarnya. Mekanisme unik apabila digunakan pada pencetakan bio membolehkan kita membuat pemerhatian tentang cara sel-sel ini berfungsi dalam persekitarannya, dengan itu memberi kita gambaran dan pemahaman tentang senario biologi sebenar. Ia meningkatkan kemungkinan membina struktur biologi 3D dengan mencetak pelbagai jenis biomolekul yang mampu dipasang ke dalam struktur yang jelas pada pelbagai skala.
Masa depan sangat diharapkan!
Penyelidikan bioprinting telah digunakan untuk menghasilkan pelbagai jenis tisu dan dengan itu boleh menjadi sangat penting untuk kejuruteraan tisu dan perubatan regeneratif untuk menangani keperluan untuk tisu dan organ yang sesuai untuk pemindahan - kulit, tulang, cantuman, tisu jantung dan lain-lain. membuka pelbagai kemungkinan untuk mereka bentuk dan mencipta senario biologi seperti persekitaran sel yang kompleks dan khusus untuk membolehkan kemakmuran kejuruteraan tisu dengan benar-benar mencipta objek atau binaan -di bawah kawalan digital dan dengan ketepatan molekul- yang menyerupai atau meniru tisu dalam badan. Tisu hidup, tulang, saluran darah dan model organ yang berpotensi dan keseluruhan boleh dibuat untuk prosedur perubatan, latihan, ujian, penyelidikan dan inisiatif penemuan ubat. Penjanaan binaan khusus pesakit tersuai yang sangat khusus boleh membantu dalam mereka bentuk rawatan yang tepat, disasarkan dan diperibadikan.
Salah satu halangan terbesar untuk pencetakan bio dan pencetakan inkjet 3D secara amnya ialah pembangunan perisian canggih dan canggih untuk menghadapi cabaran pada langkah pertama pencetakan - mencipta reka bentuk atau pelan tindakan yang sesuai. Sebagai contoh, pelan tindakan objek bukan hidup boleh dibuat dengan mudah tetapi apabila ia datang untuk mencipta model digital katakan, hati atau hati, ia mencabar dan tidak mudah seperti kebanyakan objek material. Bioprinting pastinya mempunyai banyak kelebihan - kawalan tepat, kebolehulangan dan reka bentuk individu tetapi masih dibelenggu dengan beberapa cabaran - yang paling penting ialah kemasukan berbilang jenis sel dalam struktur spatial memandangkan persekitaran hidup adalah dinamik dan bukan statik. Kajian ini telah menyumbang kepada kemajuan pencetakan bio 3D dan banyak halangan boleh dihapuskan dengan mengikuti prinsipnya. Jelas sekali bahawa kejayaan sebenar bioprinting mempunyai beberapa aspek yang melekat padanya. Aspek yang paling penting yang boleh memperkasakan bioprinting ialah pembangunan biomaterial yang relevan dan sesuai, peningkatan resolusi pencetakan dan juga vaskularisasi untuk berjaya menggunakan teknologi ini secara klinikal. Nampaknya mustahil untuk 'mencipta' organ yang berfungsi sepenuhnya dan berdaya maju untuk pemindahan manusia dengan bioprinting tetapi bagaimanapun bidang ini sedang berkembang pesat dan banyak perkembangan berada di barisan hadapan sekarang dalam masa beberapa tahun sahaja. Ia sepatutnya boleh dicapai untuk mengatasi kebanyakan cabaran yang disertakan dengan bioprinting memandangkan penyelidik dan jurutera bioperubatan sudah pun menuju ke arah kejayaan pencetakan bio kompleks.
Beberapa isu dengan Bioprinting
Perkara kritikal yang dibangkitkan dalam bidang bioprinting ialah hampir mustahil pada peringkat ini untuk menguji keberkesanan dan keselamatan mana-mana rawatan biologi 'peribadi' yang ditawarkan kepada pesakit yang menggunakan teknik ini. Selain itu, kos yang berkaitan dengan rawatan sebegitu merupakan isu besar terutamanya dalam bidang pembuatan. Walaupun sangat mungkin untuk membangunkan organ berfungsi yang boleh menggantikan organ manusia, tetapi pada masa ini, tidak ada cara bukti bodoh untuk menilai sama ada badan pesakit akan menerima tisu baru atau organ buatan yang dihasilkan dan sama ada pemindahan tersebut akan berjaya semua.
Bioprinting ialah pasaran yang semakin berkembang dan akan menumpukan pada pembangunan tisu dan organ dan mungkin dalam beberapa dekad hasil baharu akan dilihat dalam organ dan pemindahan manusia yang dicetak 3D. 3D pencetakan bio akan terus menjadi perkembangan perubatan yang paling penting dan relevan sepanjang hayat kita.
***
{Anda boleh membaca kertas penyelidikan asal dengan mengklik pautan DOI yang diberikan di bawah dalam senarai sumber yang dipetik}
Sumber (s)
Hedegaard CL 2018. Hierarki Hierarki Berpandukan Hidrodinamik Sendiri Bioinks Peptida-Protein. Bahan Fungsian Lanjutan. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
