Bioprinting en zijn toepassingen begrijpen

Bioprinting, een soort van 3d printen, gebruikt cellen en andere biologische materialen als "inkten" om 3D biologische structuren te fabriceren. Bioprinted materialen kunnen beschadigde organen, cellen en weefsels in het menselijk lichaam herstellen. In de toekomst kan bioprinting worden gebruikt om hele organen vanaf nul te bouwen, een mogelijkheid die het veld van bioprinting zou kunnen transformeren.

Onderzoekers hebben de bioprinting van veel verschillende onderzocht celtypen, waaronder stamcellen, spiercellen en endotheelcellen. Verschillende factoren bepalen of een materiaal al dan niet bioprint kan worden. Ten eerste moeten de biologische materialen biocompatibel zijn met de materialen in de inkt en de printer zelf. Daarnaast beïnvloeden ook de mechanische eigenschappen van de gedrukte structuur, evenals de tijd die het duurt voordat het orgaan of weefsel rijp is, het proces.

Bioinks vallen meestal in een van de twee soorten:

• Gels op waterbasis
  instagram viewer
  of hydrogels, fungeren als 3D-structuren waarin cellen kunnen gedijen. Hydrogels die cellen bevatten, worden afgedrukt in gedefinieerde vormen, en de polymeren in de hydrogels worden samengevoegd of "verknoopt" zodat de bedrukte gel sterker wordt. Deze polymeren kunnen van nature afgeleid of synthetisch zijn, maar moeten compatibel zijn met de cellen.
• Aggregaten van cellen die na het printen spontaan samensmelten tot weefsels.

Het bioprintproces heeft veel overeenkomsten met het 3D-printproces. Bioprinting is over het algemeen onderverdeeld in de volgende stappen:

• Voorverwerking: Er wordt een 3D-model voorbereid op basis van een digitale reconstructie van het te printen orgaan of weefsel. Deze reconstructie kan worden gemaakt op basis van beelden die niet-invasief zijn vastgelegd (bijv. Met een MRI) of via een meer invasief proces, zoals een reeks tweedimensionale plakjes afgebeeld met röntgenstralen.
• Verwerken: Het weefsel of orgaan op basis van het 3D-model in de voorverwerkingsfase wordt afgedrukt. Net als bij andere vormen van 3D-printen worden achtereenvolgens materiaallagen bij elkaar opgeteld om het materiaal te printen.
• Nabewerking: Noodzakelijke procedures worden uitgevoerd om de afdruk te transformeren in een functioneel orgaan of weefsel. Deze procedures kunnen het plaatsen van de afdruk in een speciale kamer omvatten die de cellen helpt sneller en beter te rijpen.

Net als bij andere soorten 3D-printen, kunnen bioinks op verschillende manieren worden afgedrukt. Elke methode heeft zijn eigen duidelijke voor- en nadelen.

• Op inkjet gebaseerde bioprinting werkt op dezelfde manier als een kantoor-inkjetprinter. Wanneer een ontwerp wordt afgedrukt met een inkjetprinter, wordt er inkt door vele kleine spuitopeningen op het papier geschoten. Hierdoor ontstaat een afbeelding gemaakt van veel druppeltjes die zo klein zijn dat ze niet zichtbaar zijn voor het oog. Onderzoekers hebben inkjetprinten aangepast voor bioprinting, inclusief methoden die warmte of trillingen gebruiken om inkt door de spuitopeningen te duwen. Deze bioprinters zijn betaalbaarder dan andere technieken, maar zijn beperkt tot bio-inkten met een lage viscositeit, die op hun beurt de soorten materialen kunnen beperken die kunnen worden bedrukt.
• Met laser ondersteundbioprinting gebruikt een laser om cellen met hoge precisie van een oplossing naar een oppervlak te verplaatsen. De laser verwarmt een deel van de oplossing, creëert een luchtzak en verplaatst cellen naar een oppervlak. Omdat deze techniek geen kleine spuitmonden vereist, zoals bij op inkjet gebaseerde bioprinting, kunnen materialen met een hogere viscositeit worden gebruikt, die niet gemakkelijk door de spuitmonden kunnen stromen. Laserondersteunde bioprinting maakt ook afdrukken met zeer hoge precisie mogelijk. De hitte van de laser kan echter de cellen die worden afgedrukt beschadigen. Bovendien kan de techniek niet eenvoudig worden "opgeschaald" om snel structuren in grote hoeveelheden af ​​te drukken.
• Op extrusie gebaseerde bioprinting gebruikt druk om materiaal uit een spuitmond te persen om vaste vormen te creëren. Deze methode is relatief veelzijdig: biomaterialen met verschillende viscositeiten kunnen worden bedrukt het aanpassen van de druk, hoewel voorzichtigheid geboden is, aangezien hogere drukken de kans op beschadiging van de cellen. Op extrusie gebaseerde bioprinting kan waarschijnlijk worden opgeschaald voor productie, maar is mogelijk niet zo nauwkeurig als andere technieken.
• Electrospray en electrospinning bioprinters maak gebruik van elektrische velden om respectievelijk druppeltjes of vezels te maken. Deze methoden kunnen tot op nanometerniveau nauwkeurig zijn. Ze gebruiken echter een zeer hoge spanning, wat mogelijk onveilig is voor cellen.

Omdat bioprinting de precieze constructie van biologische structuren mogelijk maakt, kan de techniek veel toepassingen vinden in biomedische geneeskunde. Onderzoekers hebben bioprinting gebruikt om cellen te introduceren om het hart na een hartaanval te helpen herstellen en om cellen af ​​te zetten in de gewonde huid of het kraakbeen. Bioprinting is gebruikt om hartkleppen te fabriceren voor mogelijk gebruik bij patiënten met hartaandoeningen, spier- en botweefsels op te bouwen en zenuwen te helpen herstellen.

Hoewel er meer werk moet worden verzet om te bepalen hoe deze resultaten zouden werken in een klinische setting, het onderzoek toont aan dat bioprinting kan worden gebruikt om weefsels te helpen regenereren tijdens operaties of daarna letsel. Bioprinters kunnen in de toekomst ook het mogelijk maken om hele organen zoals levers of harten helemaal opnieuw te maken en te gebruiken bij orgaantransplantaties.

Naast 3D bioprinting hebben sommige groepen ook 4D bioprinting onderzocht, waarbij rekening wordt gehouden met de vierde dimensie van tijd. 4D bioprinting is gebaseerd op het idee dat de geprinte 3D-structuren in de loop van de tijd kunnen blijven evolueren, zelfs nadat ze zijn geprint. De structuren kunnen dus van vorm en / of functie veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan de juiste stimulus, zoals warmte. 4D bioprinting kan worden gebruikt in biomedische gebieden, zoals het maken van bloedvaten door te profiteren van hoe sommige biologische constructies vouwen en rollen.

Hoewel bioprinting in de toekomst veel levens kan redden, moeten een aantal uitdagingen nog worden aangepakt. De gedrukte structuren kunnen bijvoorbeeld zwak zijn en hun vorm niet behouden nadat ze zijn overgebracht naar de juiste locatie op het lichaam. Bovendien zijn weefsels en organen complex en bevatten ze veel verschillende soorten cellen die zeer nauwkeurig zijn gerangschikt. De huidige printtechnologieën kunnen dergelijke ingewikkelde architecturen mogelijk niet repliceren.

Ten slotte zijn bestaande technieken ook beperkt tot bepaalde soorten materialen, een beperkt viscositeitsbereik en beperkte precisie. Elke techniek kan de cellen en andere materialen die worden afgedrukt beschadigen. Deze problemen zullen worden aangepakt terwijl onderzoekers doorgaan met het ontwikkelen van bioprinting om de steeds moeilijker wordende technische en medische problemen aan te pakken.

• Kloppende, pompende hartcellen die met een 3D-printer zijn gegenereerd, kunnen hartaanvalpatiënten, Sophie Scott en Rebecca Armitage, ABC, helpen.
• Dababneh, A., en Ozbolat, I. “Bioprinting-technologie: een actuele state-of-the-art review.” Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014, vol. 136, nee. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. en Xu, F. “4D bioprinting voor biomedische toepassingen.” Trends in biotechnologie, 2016, vol. 34, nee. 9, pp. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong, N., Yang, G., Lee, J. en Kim, G. “3D bioprinting en zijn in vivo toepassingen.” Journal of Biomedical Materials Research, 2017, vol. 106, nee. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G., en Markwald, P. “Orgaan printen: computerondersteunde jet-gebaseerde 3D-tissue engineering.” Trends in biotechnologie, 2003, vol. 21, nee. 4, pag. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• Murphy, S., en Atala, A. “3D bioprinting van weefsels en organen.” Nature Biotechnology, 2014, vol. 32, nee. 8, pp. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A., en Yoo, J. "Bioprinting technologie en haar toepassingen." European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2014, vol. 46, nee. 3, pp. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun, W. en Lal, P. “Recente ontwikkeling op het gebied van computerondersteunde tissue engineering - een overzicht.” Computermethoden en programma's in biomedische geneeskunde, vol. 67, nee. 2, pag. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.