У рамках буйнога прагрэсу ў тэхніцы 3D-біядруку клеткі і тканіны былі створаны, каб паводзіць сябе ў сваім натуральным асяроддзі, каб пабудаваць «сапраўдныя» біялагічныя структуры
3D-друк - гэта працэдура, пры якой матэрыял дадаецца разам і, такім чынам, злучаецца або ўмацоўваецца пад лічбавым кіраваннем кампутара для стварэння трохмернага аб'екта або суб'екта. Хуткае прататыпаванне і адытыўная вытворчасць - гэта іншыя тэрміны, якія выкарыстоўваюцца для апісання гэтай тэхнікі стварэння складаных аб'ектаў або суб'ектаў шляхам напластавання матэрыялу і паступовага нарошчвання - або проста «адытыўнага» метаду. Гэтая выдатная тэхналогія існуе на працягу трох дзесяцігоддзяў пасля таго, як была афіцыйна выяўлена ў 1987 годзе, толькі нядаўна яна стала ў цэнтры ўвагі і папулярнасці як сродак не толькі для вытворчасці прататыпаў, але і, хутчэй, прапаноўваючы паўнавартасныя функцыянальныя кампаненты. Такі патэнцыял магчымасцяў 3D друку, што цяпер ён стымулюе сур'ёзныя інавацыі ў многіх галінах, уключаючы машынабудаванне, вытворчасць і медыцыну.
Даступныя розныя тыпы адытыўных метадаў вытворчасці, якія выконваюць тыя ж крокі для дасягнення канчатковага выніку. На першым важнейшым этапе дызайн ствараецца з дапамогай праграмнага забеспячэння CAD (Computer-Aided-Design) на кампутары, якое называецца лічбавым планам. Гэта праграмнае забеспячэнне можа прадказаць, як атрымаецца канчатковая структура, а таксама паводзіць сябе, таму гэты першы крок вельмі важны для добрага выніку. Затым гэты дызайн САПР пераўтворыцца ў тэхнічны фармат (так называецца файл .stl або стандартная мова тэсэляцыі), які неабходны для таго, каб 3D-прынтар мог інтэрпрэтаваць інструкцыі праектавання. Далей неабходна наладзіць 3D-прынтар (падобна звычайнаму хатняму або офіснаму 2D-прынтэру) для фактычнай друку - гэта ўключае ў сябе наладу памеру і арыентацыі, выбар альбомнай або партрэтнай адбіткаў, запаўненне картрыджаў друкаркі правільным парашком . The 3D прынтэр затым пачынае працэс друку, паступова ствараючы дызайн па адным мікраскапічнага пласта матэрыялу. Звычайна гэты пласт мае таўшчыню каля 0.1 мм, хоць яго можна наладзіць пад канкрэтны аб'ект, які друкуецца. Уся працэдура ў асноўным аўтаматызаваная і не патрабуецца фізічнага ўмяшання, толькі перыядычныя праверкі для забеспячэння правільнай працы. На выкананне канкрэтнага аб'екта сыходзіць ад некалькіх гадзін да дзён, у залежнасці ад памеру і складанасці канструкцыі. Акрамя таго, паколькі гэта метадалогія «адытыву», яна эканамічная, экалагічна чыстая (без адходаў), а таксама дае значна большыя магчымасці для дызайну.
Наступны ўзровень: 3D-біядрук
Біядрук з'яўляецца пашырэннем традыцыйнага 3D-друку з апошнімі дасягненнямі, якія дазваляюць прымяняць 3D-друк для біялагічных жывых матэрыялаў. У той час як 3D-струйны друк ужо выкарыстоўваецца для распрацоўкі і вытворчасці перадавых медыцынскіх прылад і інструментаў, трэба распрацаваць яшчэ адзін крок для друку, прагляду і разумення біялагічных малекул. Важнае адрозненне заключаецца ў тым, што ў адрозненне ад струйнай друку, біядрук заснаваны на біячарнілах, якія складаюцца з жывых клеткавых структур. Такім чынам, у біядруку, калі ўводзіцца канкрэтная лічбавая мадэль, канкрэтная жывая тканіна друкуецца і нарошчваецца пласт за клеткай. З-за вельмі складаных клеткавых кампанентаў жывога цела 3D-біядрук прасоўваецца павольна, а такія складанасці, як выбар матэрыялаў, клетак, фактараў, тканін, ствараюць дадатковыя працэдурныя праблемы. Гэтыя складанасці могуць быць вырашаны шляхам пашырэння разумення шляхам інтэграцыі тэхналогій з міждысцыплінарных абласцей, напрыклад, біялогіі, фізікі і медыцыны.
Вялікі прагрэс у біядруку
У даследаванні, апублікаваным у Пашыраныя функцыянальныя матэрыялы, даследчыкі распрацавалі тэхніку 3D-біядруку, якая выкарыстоўвае клеткі і малекулы, якія звычайна знаходзяцца ў натуральных тканінах (іх роднае асяроддзе), для стварэння канструкцый або канструкцый, якія нагадваюць «сапраўдныя» біялагічныя структуры. Гэты канкрэтны метад біядруку спалучае «малекулярную самазборку» з «3D-друкам» для стварэння складаных біямолекулярных структур. Малекулярная самазборка - гэта працэс, пры якім малекулы самастойна прымаюць пэўную арганізацыю для выканання пэўнай задачы. Гэтая тэхніка аб'ядноўвае «мікра- і макраскапічны кантроль структурных асаблівасцяў», які забяспечвае «3D-друк» з «малекулярным і нана-кантролем», які забяспечваецца «малекулярнай самазборкай». Ён выкарыстоўвае сілу малекулярнай самазборкі, каб стымуляваць клеткі, якія друкуюцца, што ў іншым выпадку з'яўляецца абмежаваннем у 3D-друку, калі звычайныя «чарніла для 3D-друку» не забяспечваюць гэтага сродкі.
Даследчыкі «ўбудавалі» структуры ў «біячарніла», якія падобныя на іх роднае асяроддзе ўнутры цела, прымушаючы структуры паводзіць сябе так, як яны паводзілі б сябе ў целе. Гэтыя біячарніла, таксама званыя чарніламі, якія самазбіраюцца, дапамагаюць кантраляваць або мадуляваць хімічныя і фізічныя ўласцівасці падчас і пасля друку, што затым дазваляе адпаведным чынам стымуляваць паводзіны клетак. Унікальны механізм пры ўжыванні да біяпрынт дазваляе нам рабіць назіранні за тым, як гэтыя клеткі працуюць у сваім асяроддзі, тым самым даючы нам здымак і разуменне рэальнага біялагічнага сцэнара. Гэта павышае магчымасць стварэння трохмерных біялагічных структур шляхам друку некалькіх тыпаў біямалекул, здольных збірацца ў дакладна вызначаныя структуры ў розных маштабах.
Будучыня вельмі абнадзейвае!
Даследаванне біядруку ўжо выкарыстоўваецца для стварэння розных тыпаў тканін і, такім чынам, можа быць вельмі важным для тканкавай інжынерыі і рэгенератыўнай медыцыны для задавальнення патрэбы ў тканінах і органах, прыдатных для трансплантацыі - скуры, косці, трансплантаты, тканіны сэрца і г.д. Далей, тэхніка адкрывае шырокі спектр магчымасцяў для распрацоўкі і стварэння біялагічных сцэнарыяў, такіх як складаныя і спецыфічныя клетачныя асяроддзя, каб забяспечыць росквіт тканкавай інжынерыі шляхам фактычнага стварэння аб'ектаў або канструкцый - пад лічбавым кантролем і з малекулярнай дакладнасцю - якія нагадваюць або імітуюць тканіны ў арганізме. Мадэлі жывой тканіны, косці, крывяносных сасудаў і, патэнцыйна, і цэлых органаў можна ствараць для медыцынскіх працэдур, навучання, тэставання, даследаванняў і ініцыятыў па выяўленні лекаў. Вельмі канкрэтнае пакаленне індывідуальных канструкцый для канкрэтных пацыентаў можа дапамагчы ў распрацоўцы дакладных, мэтанакіраваных і персаналізаваных метадаў лячэння.
Адной з самых вялікіх перашкод для біядруку і 3D-струйнага друку ў цэлым з'яўляецца распрацоўка перадавога, складанага праграмнага забеспячэння для вырашэння праблемы на першым этапе друку - стварэння адпаведнага дызайну або плана. Напрыклад, план нежывых аб'ектаў можна стварыць лёгка, але калі справа даходзіць да стварэння лічбавых мадэляў, скажам, печані або сэрца, гэта складана і не так проста, як большасць матэрыяльных аб'ектаў. Біядрук, безумоўна, мае мноства пераваг - дакладны кантроль, паўтаральнасць і індывідуальны дызайн, але ўсё яшчэ сутыкаецца з некалькімі праблемамі - самай важнай з іх з'яўляецца ўключэнне некалькіх тыпаў клетак у прасторавую структуру, паколькі жыццёвае асяроддзе дынамічнае, а не статычнае. Гэта даследаванне ўнесла свой уклад у развіццё 3D-біядруку, і многія перашкоды можна ліквідаваць, прытрымліваючыся іх прынцыпаў. Зразумела, што сапраўдны поспех біядруку мае некалькі аспектаў. Найбольш важным аспектам, які можа пашырыць магчымасці біядруку, з'яўляецца распрацоўка адпаведных і адпаведных біяматэрыялаў, павышэнне раздзяляльнасці друку, а таксама васкулярызацыя для паспяховага клінічнага прымянення гэтай тэхналогіі. Здаецца немагчымым «стварыць» цалкам функцыянуючыя і жыццяздольныя органы для трансплантацыі чалавека шляхам біядруку, але, тым не менш, гэтая сфера хутка развіваецца, і многія распрацоўкі знаходзяцца на пярэднім краі ўсяго за некалькі гадоў. Гэта павінна быць дасяжным, каб пераадолець большасць праблем, звязаных з біядрукам, паколькі даследчыкі і інжынеры-біямедыкі ўжо на шляху да паспяховай складанай біядруку.
Некаторыя праблемы з біядрукам
Крытычны момант, які падымаецца ў галіне біядруку, заключаецца ў тым, што на дадзеным этапе практычна немагчыма праверыць эфектыўнасць і бяспеку любых біялагічных «персаналізаваных» метадаў лячэння, якія прапануюцца пацыентам з дапамогай гэтай тэхнікі. Акрамя таго, выдаткі, звязаныя з такім лячэннем, з'яўляюцца вялікай праблемай, асабліва ў вытворчасці. Нягледзячы на тое, што вельмі магчыма распрацаваць функцыянальныя органы, якія могуць замяніць чалавечыя органы, але нават у гэтым выпадку, у цяперашні час няма ідэйнага спосабу ацаніць, ці прыме арганізм пацыента новую тканіну або створаны штучны орган і ці будзе такая трансплантацыя паспяховай. усе.
Біядрук - рынак, які расце, і ён будзе сканцэнтраваны на развіцці тканін і органаў, і, магчыма, праз некалькі дзесяцігоддзяў новыя вынікі можна будзе ўбачыць у 3D-друку чалавечых органаў і трансплантацый. 3D біяпрынт будзе працягваць заставацца найбольш важным і актуальным медыцынскім развіццём у нашым жыцці.
***
{Вы можаце прачытаць арыгінальную даследчую працу, націснуўшы на спасылку DOI, прыведзены ніжэй у спісе цытуемых крыніц}
Крыніца (я)
Hedegaard CL 2018. Гідрадынамічна кіраваная іерархічная самазборка пептыдна-пратэінавых біячарнілаў. Пашыраныя функцыянальныя матэрыялы. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
