Förstå Bioprinting och dess tillämpningar

Bioprinting, en typ av 3D-utskrift, använder celler och andra biologiska material som ”bläck” för att tillverka biologiska 3D-strukturer. Biotryckta material har potential att reparera skadade organ, celler och vävnader i människokroppen. I framtiden kan bioprinting användas för att bygga hela organ från grunden, en möjlighet som kan förändra bioprintingområdet.

Material That Can Be Bioprinted

Forskare har studerat bioprinting av många olika celltyper, inklusive stamceller, muskelceller och endotelceller. Flera faktorer avgör om ett material kan biotryckas eller inte. För det första måste de biologiska materialen vara biokompatibla med materialen i bläcket och själva skrivaren. Dessutom påverkar de mekaniska egenskaperna hos den tryckta strukturen, liksom den tid det tar för organet eller vävnaden att mogna, processen.

Biobläck faller vanligtvis i en av två typer:

    • Vattenbaserade geler, eller hydrogeler, verkar som 3D-strukturer där celler kan frodas. Hydrogeler som innehåller celler trycks till definierade former, och polymererna i hydrogelerna sammanfogas eller ”tvärbinds” så att den tryckta gelén blir starkare. Dessa polymerer kan vara naturligt härledda eller syntetiska, men bör vara kompatibla med cellerna.

      Aggregat av celler

      som spontant smälter samman till vävnader efter utskrift.

    Hur bioprinting fungerar

    Bioprintingprocessen har många likheter med 3D-printprocessen. Bioprinting delas i allmänhet in i följande steg:

  • Förbearbetning: En 3D-modell baserad på en digital rekonstruktion av organet eller vävnaden som ska bioprintas förbereds. Denna rekonstruktion kan skapas baserat på bilder som tagits icke-invasivt (t.ex. med en MRT) eller genom en mer invasiv process, såsom en serie tvådimensionella skivor avbildade med röntgenstrålar.
  • Bearbetning: Vävnaden eller organet baserat på 3D-modellen i förbehandlingsstadiet skrivs ut. Liksom i andra typer av 3D-utskrifter läggs materiallager successivt ihop för att skriva ut materialet.
  • Efterbehandling: Nödvändiga procedurer utförs för att omvandla trycket till ett funktionellt organ eller vävnad. Dessa procedurer kan innefatta att placera utskriften i en speciell kammare som hjälper cellerna att mogna ordentligt och snabbare.

        Typer av bioskrivare

      Precis som med andra typer av 3D-utskrift kan biobläck skrivas ut på flera olika sätt. Varje metod har sina egna distinkta fördelar och nackdelar.

    • Bläckstrålebaserad bioprinting fungerar på samma sätt som en bläckstråleskrivare på kontoret. När en design skrivs ut med en bläckstråleskrivare, avfyras bläck genom många små munstycken på papperet. Detta skapar en bild av många droppar som är så små att de inte är synliga för ögat. Forskare har anpassat bläckstråleutskrift för biotryck, inklusive metoder som använder värme eller vibrationer för att trycka bläck genom munstyckena. Dessa bioskrivare är mer överkomliga än andra tekniker, men är begränsade till lågviskösa biobläck, vilket i sin tur kan begränsa vilka typer av material som kan skrivas ut.
    • Laserassisterad
    • bioprinting använder en laser att flytta celler från en lösning till en yta med hög precision. Lasern värmer upp en del av lösningen, skapar en luftficka och förskjuter celler mot en yta. Eftersom denna teknik inte kräver små munstycken som i bläckstrålebaserad bioprintning, kan material med högre viskositet, som inte kan flyta lätt genom munstycken, användas. Laserassisterad bioprinting möjliggör också utskrifter med mycket hög precision. Värmen från lasern kan dock skada cellerna som skrivs ut. Dessutom kan tekniken inte enkelt ”skalas upp” för att snabbt skriva ut strukturer i stora mängder.

    • Extruderingsbaserad bioprinting
    • använder tryck för att tvinga ut material ur ett munstycke för att skapa fasta former. Denna metod är relativt mångsidig: biomaterial med olika viskositeter kan skrivas ut genom att justera trycket, men försiktighet bör iakttas eftersom högre tryck är mer benägna att skada cellerna. Extruderingsbaserad biotryckning kan sannolikt skalas upp för tillverkning, men kanske inte vara lika exakt som andra tekniker.

    • Elektrospray och elektrospinningsbioskrivare

      använda elektriska fält för att skapa droppar respektive fibrer. Dessa metoder kan ha precision på upp till nanometernivå. Men de använder mycket hög spänning, vilket kan vara osäkert för celler.

      Tillämpningar av biotryck

      Eftersom biotryck möjliggör den exakta konstruktionen av biologiska strukturer, tekniken kan ha många användningsområden inom biomedicin. Forskare har använt bioprinting för att introducera celler för att hjälpa till att reparera hjärtat efter en hjärtinfarkt samt avsätta celler i skadad hud eller brosk. Bioprinting har använts för att tillverka hjärtklaffar för eventuell användning hos patienter med hjärtsjukdomar, bygga muskler och benvävnader och hjälpa till att reparera nerver.

      Även om mer arbete måste göras för att avgöra hur dessa resultat skulle fungera i en klinisk miljö, visar forskningen att bioprinting kan användas för att hjälpa till att regenerera vävnader under operation eller efter skada. Bioprinters skulle i framtiden också kunna göra det möjligt att göra hela organ som lever eller hjärtan från grunden och användas vid organtransplantationer.

      4D Bioprinting

      Förutom 3D-bioprinting har vissa grupper även undersökt 4D-bioprinting, som tar hänsyn till den fjärde dimensionen av tid. 4D bioprinting bygger på idén att de utskrivna 3D-strukturerna kan fortsätta att utvecklas över tiden, även efter att de har skrivits ut. Strukturerna kan alltså ändra form och/eller funktion när de utsätts för rätt stimulans, som värme. 4D bioprinting kan komma till användning inom biomedicinska områden, som att göra blodkärl genom att dra fördel av hur vissa biologiska konstruktioner viker sig och rullar.

      Framtiden

      Även om bioprinting kan hjälpa till att rädda många liv i framtiden, finns det ett antal utmaningar har ännu inte åtgärdats. Till exempel kan de tryckta strukturerna vara svaga och oförmögna att behålla sin form efter att de har överförts till lämplig plats på kroppen. Dessutom är vävnader och organ komplexa och innehåller många olika typer av celler ordnade på mycket exakta sätt. Nuvarande utskriftsteknik kanske inte kan replikera sådana intrikata arkitekturer.

      Slutligen är befintliga tekniker också begränsade till vissa typer av material, ett begränsat antal viskositeter och begränsad precision. Varje teknik har potential att orsaka skada på cellerna och andra material som skrivs ut. Dessa frågor kommer att tas upp när forskare fortsätter att utveckla bioprinting för att ta itu med allt svårare tekniska och medicinska problem.

      Referenser

    • Att slå, pumpa hjärtceller som genereras med 3D-skrivare kan hjälpa hjärtinfarktpatienter, Sophie Scott och Rebecca Armitage , ABC.
    • Dababneh, A., och Ozbolat, I. ”Bioprinting technology: A current state-of-the-art review.” 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. och Xu, F. ”4D bioprinting för biomedicinska tillämpningar.” Trender inom bioteknik
      , 2016, vol. 34, nr. 9, s. 746-756, doi: 10.1016/j.tibtech.2016.03.004.

    • Hong, N., Yang, G., Lee, J. och Kim, G. ”3D-bioprinting och dess in vivo-applikationer.” Journal of Biomedical Materials Research

      , 2017, vol. 106, nr. 1, doi: 10.1002/jbm.b.33826.

      Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G. och Markwald, P. ”Orgelutskrift: datorstödd jetbaserad 3D-vävnadsteknik.” Trender inom bioteknik

      , 2003, vol. 21, nr. 4, s. 157-161, doi: 10.1016/S0167-7799(03)00033-7.

      Murphy, S. och Atala, A. ”3D bioprinting av vävnader och organ.” Naturbioteknik, 2014, vol. 32, nr. 8, s. 773-785, doi: 10.1038/nbt.2958.

    • Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. och Yoo, J. ”Bioprinting technology and its applications.” European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2014, vol. 46, nr. 3, s. 342-348, doi: 10.1093/ejcts/ezu148.
    • Sun, W. och Lal, P. ”Senaste utvecklingen av datorstödd vävnadsteknik – en recension.” Datormetoder och -program inom biomedicin

      , vol. 67, nr. 2, s. 85-103, doi: 10.1016/S0169-2607(01)00116-X.

      Lämna ett svar

      Relaterade Inlägg

      • Blodplättar: celler som koagulerar blod

      • Vad är genetisk drift?

      • Lär dig om de tre huvudstadierna av cellandning

      • Topp 6 anledningar till att E. coli används för genkloning

      • Tillväxtens cellcykel

      • En ”genpool” inkluderar alla tillgängliga gener i en artpopulation