Ce este Bioprinting?

Bioprinting, un tip de imprimare 3D, folosește celule și alte materiale biologice ca „cerneluri” pentru fabricarea structurilor biologice 3D. Materialele bi-pictate au potențialul de a repara organele, celulele și țesuturile deteriorate din corpul uman. În viitor, bioprinting-ul poate fi folosit pentru a construi organe întregi de la zero, o posibilitate care ar putea transforma domeniul bioprinting.

Materiale care pot fi biografiate

Cercetătorii au studiat bioprintarea multor tipuri de celule diferite, inclusiv celule stem, celule musculare și celule endoteliale. Mai mulți factori determină dacă un material poate fi bi-imprimat sau nu. În primul rând, materialele biologice trebuie să fie biocompatibile cu materialele din cerneală și imprimanta în sine. În plus, proprietățile mecanice ale structurii imprimate, precum și timpul necesar pentru ca organul sau țesutul să se maturizeze afectează și procesul. 

De obicei, bioinkulurile se încadrează în unul dintre cele două tipuri:

• Geluri pe bază de apă, sau hidrogelii, acționează ca structuri 3D în care celulele pot prospera. Hidrogelele care conțin celule sunt tipărite în forme definite, iar polimerii din hidrogel sunt uniți sau „reticulate” astfel încât gelul tipărit să devină mai puternic. Acești polimeri pot fi derivați în mod natural sau sintetici, dar ar trebui să fie compatibili cu celulele.
• Agregate de celule care se contopesc spontan în țesuturi după imprimare.

Cum funcționează bioprintingul

Procesul de bioprinting are multe asemănări cu procesul de imprimare 3D. Bioprinting-ul este în general împărțit în următoarele etape: 

• preprocesare: Se prepară un model 3D bazat pe o reconstrucție digitală a organului sau țesutului care urmează să fie bioprintat. Această reconstrucție poate fi creată pe baza imaginilor captate non-invaziv (de exemplu, cu un RMN) sau printr-un proces mai invaziv, cum ar fi o serie de felii bidimensionale imaginate cu raze X.   
• Prelucrare: Se tipărește țesutul sau organul bazat pe modelul 3D în stadiul de preprocesare. Ca și în alte tipuri de imprimare 3D, straturile de material sunt adăugate succesiv împreună pentru a tipări materialul.
• Post procesare: Procedurile necesare sunt efectuate pentru transformarea tipăritului într-un organ sau țesut funcțional. Aceste proceduri pot include plasarea tipăririi într-o cameră specială care ajută celulele să se maturizeze corect și mai rapid.

Tipuri de Bioprinters

Ca și în cazul altor tipuri de imprimare 3D, bioink-urile pot fi tipărite în mai multe moduri. Fiecare metodă are propriile avantaje și dezavantaje distincte.

• Bioprinting pe bază de jet de cerneală acționează similar cu o imprimantă cu jet de cerneală de birou. Când un desen este imprimat cu o imprimantă cu jet de cerneală, cerneala este trasă prin multe duze minuscule pe hârtie. Acest lucru creează o imagine formată din multe picături care sunt atât de mici, încât nu sunt vizibile pentru ochi. Cercetătorii au adaptat imprimarea cu jet de cerneală pentru bioprinting, inclusiv metode care utilizează căldură sau vibrații pentru a împinge cerneala prin duze. Aceste bioprinte sunt mai accesibile decât alte tehnici, dar sunt limitate la bioinkuri cu vâscozitate scăzută, care ar putea constrânge la rândul lor tipurile de materiale care pot fi tipărite.
• -Laser asistată bioprinting utilizează un laser pentru a muta celulele dintr-o soluție pe o suprafață cu o precizie ridicată. Laserul încălzește o parte a soluției, creând un buzunar de aer și deplasând celulele către o suprafață. Deoarece această tehnică nu necesită duze mici, cum ar fi în bioprinting pe bază de jet de cerneală, pot fi utilizate materiale cu vâscozitate mai mare, care nu pot curge ușor prin duze. Bioprinting-ul asistat cu laser permite, de asemenea, imprimarea de foarte mare precizie. Cu toate acestea, căldura de la laser poate deteriora celulele tipărite. În plus, tehnica nu poate fi ușor „scalată” pentru a imprima rapid structurile în cantități mari.
• Bioprinting pe bază de extruziune folosește presiunea pentru a forța materialul dintr-o duză pentru a crea forme fixe. Această metodă este relativ versatilă: biomaterialele cu vâscozități diferite pot fi tipărite prin ajustarea presiunii, deși trebuie avut grijă, deoarece presiunile mai mari sunt mai susceptibile de a deteriora celulele. Bioprintingul bazat pe extruziune poate fi extins pentru fabricare, dar poate să nu fie la fel de precis ca alte tehnici.
• Bioprinteruri cu electrospray și electrospinning folosiți câmpurile electrice pentru a crea picături sau fibre. Aceste metode pot avea precizie la nivel de nanometru. Cu toate acestea, utilizează o tensiune foarte mare, care poate fi nesigură pentru celule.

Aplicații de bioprinting

Deoarece bioprinting-ul permite construcția precisă a structurilor biologice, tehnica poate găsi multe utilizări în biomedicină. Cercetătorii au folosit bioprintingul pentru a introduce celulele care să ajute la repararea inimii după un atac de cord, precum și să depună celule în pielea rănită sau în cartilaj. Bioprintingul a fost utilizat pentru fabricarea de valve cardiace pentru o posibilă utilizare la pacienții cu boli de inimă, pentru a construi țesuturi musculare și osoase și pentru a ajuta la repararea nervilor.

Deși trebuie depus mai multe lucrări pentru a determina modul în care aceste rezultate s-ar desfășura într-un cadru clinic, cercetările arată că bioprintarea ar putea fi folosită pentru a ajuta la regenerarea țesuturilor în timpul operației sau după accidentare. Bioprinters ar putea, în viitor, să permită, de asemenea, ca organele întregi, cum ar fi frizele sau inimile să fie făcute de la zero și utilizate în transplanturile de organe.

Bioprinting 4D

În plus față de bioprinting 3D, unele grupuri au examinat și bioprinting 4D, ceea ce ține cont de a patra dimensiune a timpului. Bioprinting-ul 4D se bazează pe ideea că structurile 3D tipărite pot continua să evolueze în timp, chiar și după ce au fost tipărite. Astfel, structurile își pot schimba forma și / sau funcția atunci când sunt expuse stimulului potrivit, cum ar fi căldura. Bioprintingul 4D poate fi folosit în zone biomedicale, cum ar fi crearea vaselor de sânge profitând de modul în care unele construcții biologice se pliază.

Viitorul

Deși bioprinting-ul ar putea ajuta la salvarea multor vieți în viitor, o serie de provocări nu au fost încă rezolvate. De exemplu, structurile tipărite pot fi slabe și nu pot să își păstreze forma după ce sunt transferate în locația corespunzătoare pe corp. Mai mult, țesuturile și organele sunt complexe, conținând multe tipuri diferite de celule dispuse în moduri foarte precise. Este posibil ca tehnologiile actuale de imprimare să nu poată reproduce astfel de arhitecturi complexe.

În cele din urmă, tehnicile existente sunt limitate la anumite tipuri de materiale, o gamă limitată de vâscozități și o precizie limitată. Fiecare tehnică are potențialul de a provoca deteriorarea celulelor și a altor materiale care sunt tipărite. Aceste probleme vor fi abordate pe măsură ce cercetătorii continuă să dezvolte bioprinting pentru a aborda probleme medicale din ce în ce mai dificile.

Referințe

• Baterea, pomparea celulelor cardiace generate cu ajutorul unei imprimante 3D ar putea ajuta pacienții cu atac de cord, Sophie Scott și Rebecca Armitage, ABC.
• Dababneh, A. și Ozbolat, I. „Tehnologia de bioprinting: o revizuire actuală de ultimă generație.” 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. și Xu, F. „Bioprinting 4D pentru aplicații biomedicale.” Tendințe în biotehnologie, 2016, vol. 34, nr. 9, p. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. și Kim, G. „Bioprinting 3D și aplicațiile sale in vivo.” Journal of Biomedical Materials Research, 2017, vol. 106, nr. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G. și Markwald, P. „Organizarea imprimării: inginerie de țesuturi 3D bazată pe jet asistată de computer.” Tendințe în biotehnologie, 2003, vol. 21, nr. 4, p. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S. și Atala, A. „Bioprintarea 3D a țesuturilor și organelor.” Biotehnologia naturii, 2014, vol. 32, nr. 8, p. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. și Yoo, J. "Tehnologia de bioprintare și aplicațiile sale." Jurnalul European de Chirurgie Cardio-Toracică, 2014, vol. 46, nr. 3, pp. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. și Lal, P. „Dezvoltare recentă în inginerie de țesut asistată de computer - o revizuire.” Metode și programe computerizate în Biomedicină, vol. 67, nr. 2, p. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.