Overzicht 3D Bioprinting-technologie

3D bioprinten ondergedompeld in de 21e eeuw. Het is een verbijsterend idee om menselijk weefsel te printen via additive manufacturing.

Je zou kunnen zeggen dat het een uitstekende stap is in de geneeskunde voor weefselregeneratie en weefselengineering.

In de afgelopen decennia is deze technologie gebruikt om te proberen functionele weefselconstructies te maken die menselijk weefsel nabootsen.

Daarom zou 3D-bioprinting een einde kunnen maken aan de lange processen die betrokken zijn bij klinische proeven met geneesmiddelen bij dieren en mensen.

Bovendien zou het de oplossing kunnen zijn voor orgaantekorten tijdens orgaantransplantaties die snel kunnen mislukken vanwege weefselafstoting. Deze doorbraak zou een einde maken aan de wanhopige toestand van het wereldwijd doneren van organen. Hier is alles wat u moet weten over 3D bioprinten.

Wat is 3D-bioprinten?

Additive manufacturing heeft zijn toepassing in de orgeltechniek uitgebreid. Het proces omvat het bouwen van een orgaan of een weefsel in lagen (een laag of een andere). Het maakt gebruik van de bottom-up benadering van 3D-printen.

De laag-voor-laag benadering zorgt ervoor dat u primaire cellen, bionische en andere materialen op een specifieke manier deponeert die de typische cellulaire architectuur nabootst.

Het proces leidt dus tot een gesynthetiseerd weefsel of een orgaan met de normale functionaliteit en structuur van het complexe natuurlijke weefsel.

Bij 3 Dimensional bioprinting print je biomoleculen en cellen op substraten om een ​​bepaald patroon te vormen dat het construct bij elkaar houdt als de vereiste 3D-vorm. Houd er rekening mee dat 3D-bioprinten gebruikmaakt van levende menselijke stamcellen, weefsels en meer.

U moet dus de modaliteiten volgen die met levende weefsels te maken hebben. Deze modaliteiten omvatten biocompatibiliteit van cellen en materialen, celgevoeligheid voor uw afdrukmaterialen en -methoden, perfusie en levering van groeifactoren.

Waarom bio-geprint weefsel dieren en mensen kan vervangen in preklinische onderzoeken

Het proces van bioprinten is geautomatiseerd. Deze automatisering zorgt dus voor nauwkeurige celpatronen en gecontroleerde extracellulaire communicatie en organisatie.

Ook zorgt de laag-op-laag fabricage van het gebiosynthetiseerde weefsel ervoor dat het bedrukte weefsel onderling verbonden poriën heeft.

Daarom zal het biologisch geprinte weefsel of orgaan dat de intercellulaire en intracellulaire communicatie heeft verbeterd, ideaal zijn voor in vivo menselijke fysiologie.

Deze functie zou het synthetische weefsel beter maken, omdat het helpt bij de gegevens die zijn verkregen in de preklinische onderzoeken, ook omdat dierlijk weefsel de pathofysiologische respons van de mens mogelijk niet voldoende voorspelt.

Hoe werkt 3D bioprinten?

In het menselijk lichaam raken weefsels beschadigd en ze degenereren dagelijks. Toch is uw vermogen tot weefselregeneratie mogelijk niet voldoende om frequente trauma's, zoals ongelukken of hartaandoeningen, aan te pakken.

Na verloop van tijd hangt de behandeling van dergelijke aandoeningen af ​​van weefsel- of orgaantransplantatie. Het hele proces riskeert dus een immuunrespons of transplantaatafstoting.

Bij het oplossen van de twee problemen komt 3D-printen goed van pas.

Waarom? Omdat je een orgaan nodig hebt, is het doel van regeneratieve geneeskunde door middel van 3D bioprinting om je stamcellen te voorzien van het orgaan of weefsel dat je nodig hebt. Dan heb je het perfecte weefsel dat deze auto-immuunreacties niet aantrekt.

Het concept van 3D-bioprinten omvat materiaalwetenschappelijke principes en menselijke biologie voor het synthetiseren van weefsels en organen.

De belangrijkste focus ligt dus op het herstel van beschadigde organen of weefsels, zoals levercirrose of hartfalen. Vandaar dat het idee draait om het nabootsen van de natuurlijke biologische complexiteit van het weefsel, wat leidt tot stamceldifferentiatie die leidt tot weefselregeneratie.

Waarom 3D bioprinten in plaats van normale donatie?

Bij de gebruikelijke donatie komt het proces dat leidt tot weefsel- of orgaanafstoting onder andere voort uit de celformaties en verbindingsinterfase. Het wordt beïnvloed door groeifactoren, zoals vasculaire endotheliale groeifactoren.

Dit proces is enigszins willekeurig en laat geen aangepaste distributie van extracellulaire matrices of cellen toe. Bovendien is het minder efficiënt en tijdrovend. Vanuit economisch en logistiek oogpunt leidt dit nadeel ertoe dat het transplantaat niet haalbaar is voor klinische toepassing.

Additieve productie helpt dus bij het verkennen van weefseltechnologie via de top-downbenadering in 3D-bioprinting.

Deze benadering heeft een gecontroleerd karakter bij het afzetten van materie, wat helpt bij het produceren van nauwkeurige geometrieën die anatomisch nauwkeurig zijn met behulp van een computerondersteund ontwerp.

Wat is het doel van driedimensionale bioprinting?

Volgens Allevi 3D-printers hebben meer dan 120.000 Amerikaanse burgers een orgaandonatie nodig.

Andere ontelbare patiënten hebben chronische en andere terminale gezondheidsproblemen als gevolg van immunosuppressie na de transplantatie en anderen vanwege de langdurige schade daarvan.

Dus de toegenomen druk en de behoefte aan alternatieven voor orgaantransplantatie. Additieve productie heeft de wetenschappelijke en medische gemeenschap geholpen om multidisciplinaire onderzoekers, ingenieurs en artsen samen te stellen om uitdagingen in verband met de menselijke gezondheid het hoofd te bieden.

Driedimensionaal bioprinten is een hulpmiddel dat de eliminatie van wachtlijsten voor orgaan- en weefseltransplantatie belooft. Bij de farmaceutische ontwikkeling is bioprinten ook een snellere en goedkopere manier om klinische geneesmiddelenonderzoeken uit te voeren die biologisch relevant zijn voor dieren en mensen.

Dit apparaat helpt bijvoorbeeld chirurgen om aderen te verbinden, waardoor complicaties worden verminderd. Driedimensionaal printen helpt ook om eenvoudigere medicijnafgiftesystemen aan te bieden.

Verbazingwekkend genoeg zal een verdere evolutie van 3D-bioprinting botweefseltechnologie en huidweefsel, hartweefsel, orgaanpatches of volledige orgaanvervanging mogelijk maken met behulp van de stamcellen van een patiënt.

Het doel van 3D-printen is om artsen en onderzoekers een beter hulpmiddel te bieden voor doelgerichte behandelingen met verbeterde resultaten.

Wanneer werd 3D-bioprinting uitgevonden?

Deze vraag voert ons terug naar het begin van de twintigste eeuw, toen de dot-matrixprinters werden ontdekt.

De driedimensionale printers die in staat zijn om tastbare objecten af ​​te drukken uit gegevens van Charles Hall vormden een basis voor alle hobbyisten en ingenieurs om verschillende objecten te printen, waaronder weefsels en gebouwen.

Driedimensionale bioprinting begon echter in 2000 toen iemand protheses en implantaten maakte die bijna overeenkwamen met de kenmerken van de patiënt. Het medische veld heeft niet-biologische toepassingen van 3D-printen plus anatomische modellering omarmd.

In 2003 maakte Thomas Boland de eerste driedimensionale bioprinter die een levend weefsel print met bio-inkt van biocompatibele stoffen. Na de doorbraak in 2003 volgde de succesvolle implantatie van de eerste in het laboratorium gemaakte menselijke blaas van 2006 en de bioprinting van het eerste bloedvat in 2009.

De procedure voor 3D bioprinten

Driedimensionale bioprintstrategieën draaien om de precieze gelaagdheid van materialen. Het bioprintproces omvat fasen van voorbereiding, afdrukken en nabehandeling.

In de voorbereidingsfase ontwerp je 3D-modellen met behulp van computergraphics. Deze modellen moeten anatomisch nauwkeurig zijn.

Je selecteert ook de bio-inkt die je gaat gebruiken. Deze selectie houdt in dat u het gewenste spierweefsel of de gewenste structuur bepaalt en zo de juiste materialen selecteert, waaronder zoogdiercellen, endotheelcellen of andere celtypen die u nodig heeft.

De tweede stap omvat het selecteren van additieve materialen en de laatste stap omvat het rijpen van de gefabriceerde structuren.

Technieken van bioprinten

U kunt bioprinten zowel steigervrij als steigergebaseerd uitvoeren. Op steigers gebaseerde modus; de matrix omvat de laag die in het fabricageproces wordt gebruikt. Deze biomateriaalmatrix vormt een patroon voor de bio-inkt. Daarom kunt u celbeladen hydrogel, een film of een nanovezel gebruiken.

Let op:de biologische constructie van het resultaat moet de typische extracellulaire matrixomgeving nauw nabootsen. Door dit aspect kunnen de cellen van de biologische constructies toenemen en groeien.

Steigervrij bioprinten houdt in dat weefsel- en celaggregaten worden gedeponeerd als sferoïden, cilinders, honingraten, enz. Het tweede proces omvat het plaatsen van weefselsferoïden in pipetten en vervolgens het plaatsen van de pipet in een besloten ruimte van de 3D-bioprintervorm door extrusie.

Vervolgens vormen de cellen hun celmatrix, wat leidt tot weefselrijping; daarom elimineer je de schimmel.

Wat zijn de nadelen van 3D bioprinten?

Een risico op contaminatie bij continu bioprinten met inkjet:de bio-inkt die niet in het substraat wordt afgebogen, circuleert opnieuw in uw printer. De recirculatie kan leiden tot besmetting.

Gebrek aan componenten voor bioprinten, zoals inadequate software, kan biologische moleculen, biomaterialen en celplaatsing definiëren. Dit gebrek belemmert 3D bioprinting-operaties.

Bij scaffold-vervorming kunnen uw nieuw gevormde weefsels falen als u geen mechanische en structurele ondersteuning biedt. U moet dus stabiele 3D-constructies maken.

Hoeveel soorten bioprinting zijn er?

Er zijn verschillende driedimensionale printtechnieken voor de fabricage en selectieve patroonvorming van de extracellulaire matrix. Ze omvatten:

• Inkjet printen
• Extrusie printen
• Laserondersteund bioprinten
• Stereolithografische bioprinting

Inkjet-gebaseerde driedimensionale bioprinting

Inkjet bioprinting maakt gebruik van bio-inkt en levende cellen op biopapier. Bio-inkt is een suspensie van biomateriaal met een lage viscositeit, terwijl biopapier substanties van biomateriaal zijn, zoals polymeerconstructies, een kweekschaal of een hydrogelsubstraat.

Je kunt deze techniek op twee manieren doen. De eerste manier is continu inkjetprinten. Hier creëer je een continue stroom druppeltjes terwijl je druk uitoefent op je bio-inkt. De druk dwingt de inkt naar buiten.

Vervolgens breng je een elektrisch veld aan dat de bio-inktstroom afbuigt in een substraat. Een goot verzamelt de overtollige druppels die niet in de stroom passen voor hergebruik.

Ten tweede heb je drop-on-demand inkjet bioprinting. De actie is vergelijkbaar met continu inkjetprinten, behalve dat u de druppeltjes op aanvraag produceert. Daarom oefen je polsdruk uit in plaats van continue druk uit te oefenen.

Laser doorsturen doorsturen

Laser-geïnduceerde voorwaartse overdracht maakt gebruik van laserstralen voor het afzetten van bio-inkt op substraten. Deze methode biedt een contactloos schrijfproces voor driedimensionaal printen.

Bij deze methode heb je drie essentiële elementen, waaronder een laserbron (gepulseerd), een met bio-inkt gecoat lint en een ontvangend substraat. U kunt een UV-laser gebruiken met een puls van nanoseconden als uw energiebron.

Oorspronkelijk gebruikte LIFT een hoogenergetische laserpuls om metalen elementen op het transparante substraat te krabbelen door het direct af te zetten. De techniek breidt zich uit als AFA-LIFT.

Absorbing Film-assisted (LIFT) voor bioprinten

Hier voegt u een metalen laserabsorberende laag toe op de interface van de bio-inkten en het lint. Deze laag fungeert als een opofferingslaag en beschermt uw cellen tegen blootstelling aan de laser.

Bij deze techniek kun je cellen direct op de extracellulaire matrix printen. U kunt ze ook als ingekapselde stukken afdrukken tijdens het afdrukproces.

Op extrusie gebaseerde bioprinting

Extrusie-bioprinting wordt op twee manieren gedaan:Pressure-Assisted Bioprinting en Direct Ink-schrijven. DIW omvat een pneumatisch extrusieproces waarbij de driedimensionale bioprinter materialen extrudeert die laag-voor-laag 3D-architecturen genereren.

Bij drukondersteund afdrukken induceert u stroming door hogere spanning uit te oefenen boven de vloeispanning van het apparaat. Zo laat je de schuifspanning los en krijgt de bio-inkt zijn stevigheid terug nadat hij op het substraat is aangebracht.

SLA 3D Bioprinting

SLA-bioprinting hangt af van de hoogte van de biocompatibele materialen in plaats van hun complexiteit.

De techniek bouwt complexe weefsels laag voor laag op door materialen toe te voegen en licht te projecteren. Je projecteert het licht op je warmte-uithardbare en fotogevoelige bio-inkt.

Lichtgevoeligheid is hier een vereiste voor de biomaterialen omdat de techniek licht als verknopingsmiddel gebruikt. U moet dus foto-uithardbare groepen zoals PEG-derivaten opnemen.

Gezondheidssectoren nemen SLA-bioprinting op in beeldvormingstechnieken, waaronder MRI- en CT-scans voor diagnostische prothetische verbeteringen.

De sector gebruikt het ook om complexe operaties te realiseren. SLA bioprinting heeft twee categorieën:multiphoton en single-photon printmethodes.

Wie kan profiteren van 3D Bioprinting?

Houd er rekening mee dat bioprinten van organen en weefsels meer jaren onderzoek vergt. Maar we konden anticiperen op wie deze tool vooral ten goede zal komen aan verschillende patiënten. Hier is een lijst met gebieden waarop bioprinten van toepassing is.

• Bioprinten van huidweefsel
• Biografie van botweefsel
• Bioprinting van kraakbeenweefsel
• Biografie van hartweefsel

Wat is 3D bioprinten van weefsels en organen?

Bioprinting van huidweefsel

De menselijke huid is complex met hulpstructuren zoals talgklieren, zweetklieren, haar en nagels. Je hebt ook verschillende soorten cellen en zenuwuiteinden. Collageenweefsel is verantwoordelijk voor de elasticiteit van uw huid.

Met 3D-bioprinten kan de menselijke huid worden geprint, wat inhoudt dat deze de nodige mechanische eigenschappen krijgt door al zijn eigenschappen in vier stappen te creëren. De eerste fase is voorbereidend, waarbij je huidstamcellen haalt uit een biopsie en deze uitbreidt in een kweek om de bio-inkt te maken.

De tweede stap is het daadwerkelijke printen, gevolgd door nabewerking, waarbij de cellen zullen toenemen en rijpen.

Tot slot karakteriseer en evalueer je de functie van het huidweefsel. Daarom zal bioprinten van huidweefsel een lange weg gaan voor mensen met huidkanker of huidziekten, brandwonden en problemen met veroudering en rimpels van de huid.

Bioprinting van hartweefsel

Cardiovasculaire aandoeningen blijven bij veel mensen sterfte veroorzaken. Veelvoorkomende hartaandoeningen zijn hartstilstand, myocardinfarct, hartfalen, angina pectoris, cardiomyopathie, enz. Bovendien hebben slagaders en aders chronische aandoeningen zoals stenose laten zien.

Het bedroevende nieuws is dat hartspiercellen onvervangbaar zijn omdat ze geen autoregeneratie- of herstelproces hebben. Hun voortdurende dood verhoogt de groei van collageenweefsel, wat het risico op cardiomyopathie verhoogt. Met deze aandoeningen is het moeilijk om een ​​hartdonor te krijgen.

Maar met 3D-bioprinting zijn deze gezondheidsproblemen beheersbaar. Bioprinting van hartweefsel is een uitdaging vanwege de complexiteit van de hartspier, vooral bij het bereiken van zijn autoritmische karakter.

Bioprinting van kraakbeenweefsel

Kraakbeen is een glad wit weefsel dat de botuiteinden bedekt. Het is een complexe structuur gemaakt van proteoglycanen, collageen en eiwitten.

De opvallende kenmerken zijn dat kraakbeenweefsel avasculair is en dat het zenuwstelsel en lymfestelsel het niet zo goed bereiken.

Als u dus voortdurend letsel oploopt of een trauma veroorzaakt, kunt u artrose of een beperking krijgen. Tissue engineering overweegt momenteel om die biologische factoren te verspreiden door polyethyleen en chondrocyten af ​​te zetten in bioprinting van kraakbeenweefsel.

Biologische printen van botweefsel

Botweefsel is een sterk gevasculariseerd en structureel complex weefsel. Osteodegeneratieve en botbreuken kunnen leiden tot verwondingen en trauma die leiden tot disfunctie van het botweefsel of een chronisch botdefect.

Deze disfuncties en defecten vereisen botregeneratie die kan helpen het beschadigde botweefsel te herstellen.

Bone tissue engineering maakt gebruik van hydrogels. De hydrogels zijn echter niet in staat om een ​​gemineraliseerde botmatrix te vormen.

Dus bioprinting van botweefsel belooft betere resultaten in controleerbare chemie en vormbehoud van de weefselintegriteit.

Welk materiaal kan worden gebruikt bij bioprinten?

De inkt moet de door u gewenste biochemische eigenschappen hebben, waardoor deze in de gespecificeerde patronen kan worden gedeponeerd. Waarom?

Omdat bio-inkt extracellulaire matrixinteracties en celproliferatie en groei mogelijk maakt. Ook moet de inkt biocompatibel zijn om de morfologie van het gewenste weefsel te ondersteunen.

Voor bioprinten van hart- en huidweefsels heb je een vergelijkbare bio-inkt nodig. Je kunt kiezen voor natuurlijke polymeren zoals collageen, gelatine, alginaat of hyaluronzuur.

Als u de voorkeur geeft aan synthetische polymeren, kunt u kiezen voor polymelk-co-glycolzuur, polycaprolacton, polyethyleenglycol. Bovendien kunt u een mix van synthetische en natuurlijke biomaterialen kiezen.

Houd bij het selecteren van bio-inkt voor botweefsel rekening met celspecialisatie, functionaliteit en cytocompatibiliteit.

U kunt gelatine, hydroxyapatiet gebruiken; Gelatine voor de voorbereidende fase en hydroxyapatiet om het geprinte weefsel te helpen construeren om het natuurlijke botweefsel na te bootsen.

Afsluiten

3D-bioprinten is een hulpmiddel dat belooft een revolutie teweeg te brengen in de geneeskunde zoals we die kennen. Van hartweefselengineering tot geprinte botweefselstructuren, 3D-printen zal helpen de enorme uitdagingen in de menselijke gezondheid het hoofd te bieden.

Kortom, deze tissue engineering-toepassingen in zacht hartweefsel, bloedvaten, kraakbeenweefsel, enz. zullen helpen de wachtlijsten voor donaties aan te pakken en de gezondheid te verbeteren.

We verwachten zeer binnenkort te migreren van conventionele celbiologie naar geavanceerde geneeskunde met driedimensionale weefsels en organen.