Что такое 3D биопечать. Печать органов на 3D принтере.
3D биопечать — это процесс аддитивного производства, в котором биоматериалы, такие как клетки и факторы роста, объединяются для создания тканеподобных структур, имитирующих естественные ткани человека или животного.
В технологии используется материал, т.н. биочернила, для создания биоструктур послойно. Методика широко применяется в медицине и биоинженерии. В последнее время технология достигла определенных успехов в производстве хрящевой ткани для использования в реконструкции и регенерации таких органов как нос, ушные раковины, связки, кожные покровы и т.д.
По сути, биопечать работает аналогично обычной FDM 3D-печати. Цифровая модель слой за слоем становится физическим трехмерным объектом. Однако в этом случае вместо термопласта используется суспензия живых клеток.
Процесс в основном включает в себя подготовку, печать, созревание и нанесение. Это можно свести к трем ключевым шагам:
- Cоздание цифровой модели, которую будет печатать биопринтер. Используемые технологии — компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ), которые формируют 3D модели восстанавливаемого органа.
- Биопечать — это фактический процесс печати, с помощью биочернил помещенных в картридж 3D биопринтера формируется нужные органы или ткани
- Пост-биопечать — это механическая и химическая стимуляция напечатанных тканей с целью создания стабильных структур для дальнейшей трансплантации
Биочернила для Биопринтеров
Биочернила — это материал (филамент), используемый для производства инженерных (искусственных) живых тканей с использованием технологии 3D-печати. Он может состоять только из клеток, но в большинстве случаев также добавляется дополнительный материал-носитель, который обволакивает клетки. Этот материал-носитель обычно представляет собой биополимерный гель, который действует как трехмерный молекулярный каркас. Клетки прикрепляются к этому гелю и это позволяет им распространяться, расти и размножаться в этой среде.
Важно отметить, что гель также может обеспечивать защиту клеток от негативного воздействия во время процесса печати. Его настолько важно, что термин «биочернила» часто используется для описания одного материала-носителя, независимо от клеток, которые могут размножаться на нем.
Биочернила — это гели
Важной характеристикой биополимера (или смеси биополимеров) является его способность удерживать воду, что делает его гидрогелем. Этот гидрогель играет преобладающую роль в механической стабильности структуры ткани.
Здесь мы более подробно рассмотрим состав полимера, лежащий в основе биочернил в системах на основе экструзии.
Консистенция биочернил
Чтобы изготовить деталь в FDM принтере, мы используем температуру, чтобы использовать фазовые переходы в термопластах. Мы переводим их из твердого состояния в расплавленное, когда нить проходит через экструдер. А затем пластик снова становятся твердыми по мере остывания. Точно так же биочернила должны пройти некоторую форму фазового перехода, которая обеспечивает их точное распределение в пространстве.
И термопласты, и биочернила сделаны из полимеров. Полимеры в биочерках должны быть способны образовывать гель довольно прочной консистенции, так как это обеспечит высокую устойчивость напечатанной 3D модели.
Однако полимеры в геле не могут образовывать очень плотную и жесткую ткань, она должна достичь оптимальной консистенции в своих свойствах и должна обеспечивать печать с высокой точностью, но при этом должна быть достаточно «гибкой», чтобы учитывать распространение питательных веществ и движение клеток.
Чтобы достичь этого, необходимо контролировать химические или физические факторы, которые позволяют гидрогелям претерпевать эти фазовые переходы. Кроме того, это должно происходить при одновременном сохранении живых клеток в процессе печати.
Структура биочернил
Одна из возможностей контролировать гелеобразование — это температура. Это верно, например, для желатина, который является основным материалом для некоторых биочернил.
Как и в FDM, экструдер может включать нагревательный элемент, который немного увеличивает температуру. Главное — частично расплавить полимер, позволяя ему пройти через сопло.
Естественно, температура биочернила в экструдере не может быть слишком высокой, иначе клетки погибнут. Это означает, что не все полимеры подходят для использования в качестве биочернил для биопринтеров.
Разжижение при сдвиге
Другие формы индуцирования так называемого фазового перехода основаны на явлении, известном как «разжижение при сдвиге». Некоторые гели становятся более жидкими, когда они испытывают напряжение.
Одним из примеров является натуральный йогурт, который имеет консистенцию плотного геля, пока вы не решите его смешать. После нескольких оборотов ложки весь этот сдвиг, вызванный движением ложки, делает йогурт более жидким. Однако не все гели ведут себя так. Напрмир желатин для этого не подойдет.
Биочернила, предназначенные для использования в технологии разжижения при сдвига, экструдируются через узкую насадку благодаря давлению в резервуаре. Сдвиг вызывается трением геля о стенки игольчатого сопла. Повышенная текучесть геля позволяет использовать его для печати.
Когда биочернила попадает на платформу для печати, она перестает испытывать давление. Таким образом, напряжение сдвига резко падает, что приводит к быстрому загустению. Поскольку этот метод не требует повышения температуры, он обычно наиболее безопасен для клеток.
Однако напряжение, испытываемое материалами, когда они проталкиваются через систему экструзии, часто отражается на здоровье клеток. Здесь вязкоупругие свойства геля помогают уменьшить силы сдвига, которые вызывают деформацию клеток. Гель действует так же, как амортизаторы, смягчающие езду на неровной дороге.
Клетки поедают свое окружение
Безопасная доставка клеток через сопло в печатную платформу — лишь одна из задач биочернила. Другой — служить источником пищи для клеток.
По мере того, как клетки растут и размножаются, они обычно изменяют свою среду. Они принимают вещества, обнаруженные снаружи, метаболизируют их, а затем выделяют другие.
Фактически, многие из веществ, которые клетки производят и выбрасывают, не обязательно являются эквивалентами токсичного материала, от которого им необходимо избавиться. Вместо этого они также заботятся об окружающей среде. Они также перерабатывают его и производят матрицу веществ, которые окружают их и увеличивают их шансы на выживание.
Химический состав биочернил
Часто биочувствительные элементы полагаются на комбинацию нескольких полимеров для достижения своего рода золотой середины, в которой соблюдаются химические, физические и биологические ограничения. Вот небольшой список полимеров, которые используются в биочернилах:
- Агароза — это морской полисахарид, получаемый из морских водорослей. Это давний фаворит из-за его хорошей биосовместимости и свойств гелеобразования. Но агароза не дает клеткам необходимых точек привязки, которые им необходимы для передвижения. Поэтому он обычно используются в биочернилах, смешанных с другими полимерами.
- Альгинат — это еще один морской биополимер растительного происхождения, который может улавливать воду и питательные вещества из окружающей среды. Это свойство идеально подходит для 3D-биопечати, поскольку ограниченная диффузия питательных веществ является одним из самых больших препятствий, с которыми клетки сталкиваются внутри плотных структур, таких как живые ткани.
- Коллаген, широко известный как желатин, является еще одним распространенным компонентом биочернил. Вы можете найти коллаген в больших количествах в мышцах и сухожилиях животных и это не случайно. Коллаген имеет жесткую волокнистую молекулярную структуру, обладает отличными вязкоупругими свойствами, повышает механическую стабильность тканей, в которых он находится. В наши дни вы можете найти синтетические варианты коллагена, которые передают большую часть свойств натурального вещества, не убивая для этого животных.
- Гиалуроновая кислота — это молекула во внеклеточном пространстве клеток всех животных и важный компонент суставного хряща. Это гигроскопичная молекула, которую после своего открытия прозвали «липкой молекулой». Хотя его консистенция не всегда идеальна для 3D-биопечати, многим клеткам она просто необходима. Вот почему в биочернилах можно найти искусственные варианты гиалуроновой кислоты с улучшенными механическими свойствами.
Список компонентов биочернил вполне соответствует материалам, которые вы можете использовать в FDM-печати. От белков, участвующих в свертывании крови, до целлюлозы или шелка, вы также можете добавлять чисто синтетические материалы, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ), плюроник или различные метакрилаты. По мере развития исследований и разработок в области 3D-биопечати и дальнейшего развития интереса к персонализированной медицине мы можем ожидать, что рынок биочернил значительно расширится в течение следующих нескольких лет.
Как работает биопечать и биопринтер
Существует несколько методов биопечати основанных на экструзионных, струйных, акустических или лазерных технологиях. Несмотря на различные виды, типичный процесс биопечати состоит из более или менее стандартной серии этапов:
- 3D-визуализация: чтобы получить точные размеры ткани или органа, используется стандартная компьютерная томография или магнитно-резонансная томография. Трехмерное изображение должно обеспечивать идеальное прилегание к ткани с минимальной корректировкой со стороны хирурга или без нее.
- 3D-моделирование: модель создается с помощью специального программного обеспечения. На этом этапе можно выполнить точную калибровку и юстировку, чтобы избежать дефектов.
- Биочернила: Биочернила представляет собой комбинацию живых клеток и совместимой основы, такой как коллаген, желатин, гиалуронан, шелк, альгинат или наноцеллюлоза. Последний обеспечивает клеткам опору для роста и питание для дальнейшей жизни.
- Боипечать: процесс 3D-печати включает нанесение биочернилы слой за слоем, причем каждый слой имеет толщину около 0,5 мм или меньше. Подача более мелких или крупных слоев сильно зависит от количества сопел и типа ткани, на которой выполняется печать. Смесь экструдируется из сопла в виде высоковязкой жидкости.
- Затвердевание: по мере осаждения слой начинает превращаться в вязкую жидкость и затвердевает, чтобы сохранить свою форму. Это происходит по мере непрерывного нанесения большего количества слоев. Процесс смешивания и отверждения известен как сшивание и ему может способствовать УФ-излучение, определенные химические вещества или тепло.
Применение биопечати
Вот несколько основных областей применения биопечати:
- Искусственные органы — один из главных толчков для развития технологий из-за большого числа случаев отказа жизненно важных органов. Наличие органов, напечатанных на 3D-принтере, поможет быстрее решать проблемы, связанные с органами, что важно для пациентов, их семей и систем здравоохранения. Это возможность печатать органы из собственной ткани человека которому будет трансплантирован орган напечатанный на 3D биопринтере, что почти исключить отторжение пересаженных органов и обеспечить наилучшую приживаемость, по сути напечатанный таким образом орган это копия существующего только полностью здоровый.
- Разработка тканей для фармацевтических испытаний является более экономичным и этичным вариантом. Это также помогает выявлять побочные эффекты лекарств и позволяет вводить рекомендованные лекарства людям с проверенными безопасными дозировками.
- Косметическая хирургия , особенно пластическая хирургия и пересадка кожи, также выигрывает от этой технологии. В этом конкретном случае кожная ткань с биопечатью может быть коммерциализирована. Некоторые ткани, напечатанные на 3D-принтере, уже подвергаются биопечати для исследований в терапевтических целях.
- Регенерация костной и хрящевой ткани, протезирование и стоматология.
Биопечать можно использовать и в других сферах, в том числе в производстве таких продуктов питания, как мясо и овощи.
Заключение
Из вышесказанного ясно, что 3D биопечать будет только развиваться. Она, несомненно, оправдает свою ценность как с моральной, так и с этической точки зрения. Надеемся, что с использованием этой технологии, любому человеку на нашей планете будут доступны, в любой момент времени, органы которые потребуют замены, сердце, почки, печень, легкие, костная ткань, зубы, кожный покров, артерии и будут обладать очень низким риском отторжения.
