3D-bioprinten uitgelegd:definitie, geschiedenis, mechanismen en sleuteltypen

3D-bioprinten vertegenwoordigt een groep technologieën in een vroeg stadium. Deze onderzoeksgebieden onderzoeken het gebruik van biologische materialen bij het printen van functionele implantaten en testapparaten die echte weefsels simuleren, stimuleren of repliceren, voor implantaten van patiënten of voor onderzoeksinstrumenten. Hoewel deze technologieën zich nog in een zeer vroeg stadium bevinden, zijn ze veelbelovend voor paradigmaverschuivingen in medische interventies die dramatische en verreikende implicaties hebben.

In dit artikel wordt besproken:Wat is 3D-bioprinten? , de geschiedenis ervan, hoe het werkt en de typen ervan.

Wat wordt bedoeld met 3D-bioprinten?

3D-bioprinten is het gebruik van biologische en biofunctionele materialen bij additive manufacturing. Er worden zeer gespecialiseerde printers gebruikt om 3D-structuren van deze biologische materialen te maken. Enkele voorbeelden zijn:levende cellen, bioactieve raamwerk- of steigermaterialen en biomoleculen. Het proces maakt gebruik van typische 3D-printmethoden om het biologische materiaal in lagen af te zetten, wat resulteert in biologische nabootsing, raamwerk en vervangende constructies voor diverse medische doeleinden.

Het doel van deze 3D-bioprinting is de vervaardiging van zeer functionele, complexe weefselconstructies en uiteindelijk organen. Deze worden gebruikt voor medische doeleinden, zoals patiëntimplantatie, medicijntests en pathologiemodellering. Deze technologie functioneert momenteel op vrij primitieve niveaus. In termen van functionerende weefsels suggereert de vooruitgang van het onderzoek echter dat dit een revolutie in de gezondheidszorg zal teweegbrengen door de op maat gemaakte vervaardiging van organen mogelijk te maken die functioneel vergelijkbaar zijn met (of beter zijn dan) de natuurlijke weefsels die ze repliceren.

Wanneer begon 3D-bioprinten?

Er is geen enkel moment geweest waarop de technologieën en het onderzoek die hebben geresulteerd in 3D-bioprinten plotseling doorbraken in patiëntenoplossingen. Er zijn echter verschillende belangrijke gebeurtenissen die van cruciaal belang zijn voor het definiëren van de fundamenten van deze technologie. Gabor Forgacs merkte op dat cellen georganiseerd konden worden in ‘nieuwe’ ruimtelijke structuren en dat ze de structuur voor onbepaalde tijd zouden combineren en behouden. Dit inzicht was later de sleutel tot de 3D-constructie van biologische structuren, omdat het leerde dat ze ertoe konden worden aangezet een vorm te behouden.

Biocompatibele materialen werden rond 2000 gebruikt in regeneratieve oplossingen voor de gezondheidszorg. Dit leidde direct tot de constructie van ruimtelijke steigers, ontwikkeld aan de Wake Forest University. Steigers werden gekoloniseerd met gekweekte patiëntencellen en geïmplanteerd zonder afstotings- of immunosuppressieve medicijnen. Deze bleken op lange termijn stabiel te zijn. In 2002 werd bio-extrusietechnologie gerapporteerd door Landers en op de markt gebracht als "3D-Bioplotter". Wilson en Boland gebruikten in 2003 een aangepaste HP-inkjetprinter als bioprinter en ontwikkelden vervolgens in 2004 celgeladen bioprinting met een commerciële SLA-printer die steigers bouwde.

Hoe werkt 3D-bioprinten?

Het proces van 3D-bioprinten bestaat doorgaans uit de volgende stappen:

1. Maak een 3D-ontwerp van de weefsels of organen die worden afgedrukt. Tools zoals BioPrint Pro van Allevi 3D ontwikkelen zich snel.
2. Selecteer de ideale bio-inkt. Het materiaal dat wordt gebruikt bij 3D-printen bevat materialen zoals:eiwitten en groeifactoren in biocompatibele, foto-uithardende harsen. Dit zijn kant-en-klare materialen, klaar om ongeschikte SLA-bioprinterapparatuur te printen. Voordat ze worden afgedrukt, moeten ze worden doordrenkt met gekweekte patiëntencellen die worden gestimuleerd om het orgaan te laten ‘groeien’.
3. De bioprinter bouwt het model zoals ontworpen en verwerkt het via standaard slicersoftware. Bio-inkten zijn geformuleerd voor verschillende productiemethoden, zoals extrusie, inkjet en SLA-printen. De afgezette bio-inkt versmelt tot een poreuze structuur, klaar voor celrijping.
4. De gedrukte structuur wordt uitgehard tot een stabielere, verknoopte vorm door een verscheidenheid aan processen, geschikt voor bepaalde soorten bio-inkt.
5. Na verknoping wordt het gedrukte materiaal geïncubeerd in een bioreactor. Het geprinte weefsel/orgaan wordt in dit proces behandeld als een levend wezen, om de ontwikkeling ervan te optimaliseren.

Raadpleeg onze handleiding over hoe 3D-printers werken voor meer informatie.

Wat is het belang van 3D-bioprinten?

Het toenemende gebruik van bioprinting op alle gebieden van de patiëntenzorg, de ontwikkeling van geneesmiddelen en het onderzoek is een gevolg van de ontwikkeling van een steeds krachtiger instrumentarium. Dit is het vroege stadium van wat waarschijnlijk de vervaardiging van volledig vervangende weefsels en organen zal worden. De mogelijkheid om nieuwe organen op maat te bouwen voor chirurgische implantaten staat op het punt een revolutie teweeg te brengen in de hele medische sector. Het maakt behandelingen van patiënten mogelijk waarbij de weefsels van de patiënt worden geïnduceerd om nieuwe, perfecte en 'echte' transplantaties op te leveren met weinig of geen risico op afstoting. Figuur 1 is een voorbeeld van een biogedrukt orgaan:

3D biogeprint orgel.

Afbeelding:Shutterstock.com/guteksk7

Wat is het doel van 3D-bioprinten?

Bioprinten is het proces van het leveren van incubatieklare, door patiëntencellen bevolkte scaffolds die kunnen worden geïncubeerd en gevoed om vervangende organen te worden. Het is een onvervangbare, belangrijke stap in het leveren van patiëntklare, transplanteerbare weefsels en organen die het immuunsysteem van de patiënt als ‘zelf’ zal herkennen. 

Wat zijn de verschillende soorten 3D-bioprinten?

Bioprinting heeft zich ontwikkeld in drie verschillende richtingen, elk met zijn moeilijkheden en voordelen:

1. Op inkjet gebaseerde bioprinting

Op inkjet gebaseerde bioprinting maakt gebruik van specifiek aangepast inkjetprinten om levende cellen en biomaterialen op een stereolithografisch 3D-construct te plaatsen om biologische structuren te bouwen:weefsels en organen. De printkop verspreidt bio-inkt die patiëntcellen en biologische ondersteuningsmedia bevat, en levert een “afbeelding” op van elk segment in het 3D-ontwerp, gebouwd op de voorgaande laag. Deze bio-inkten bevatten UV-uitgeharde of door hitte geharde elementen die elke laag integreren en verbinden met de onderliggende laag. Op deze manier worden de weefsels zoals ontworpen in een 3D-structuur opgemaakt die vervolgens tot volwassenheid kan worden geïncubeerd.

Op inkjet gebaseerde bioprinting heeft een hoge resolutie, hoge snelheid en is geschikt voor het toepassen van meerdere celtypen of biomaterialen in één print. Hoewel deze technologie nog verre van mainstream is, is zij een belangrijke experimentele methode op het gebied van weefselmanipulatie voor regeneratieve geneeskunde en implantaatgeneeskunde, en ook bij het testen van geneesmiddelen.

2. Drukondersteunde bioprinting

Drukondersteunde bioprinting maakt gebruik van een pneumatisch of hydraulisch aangedreven levering van fijne druppels bio-inkt op een bouwplatform. Hierdoor worden de weefsels opgebouwd zoals ze zijn ontworpen, in een proces van laag voor laag. Wanneer de bio-inktlaag wordt afgezet, wordt deze uitgehard door blootstelling aan ultraviolet licht of temperatuurverandering. Dit proces helpt bij het maken van een integrale structuur die kan worden geïncubeerd om de patiëntklare (of onderzoekstest) weefsels te laten rijpen. Dit proces is in veel opzichten eenvoudiger dan de alternatieven. Het maakt plaatsing van gemengde cellen mogelijk, voor een betere nabootsing van echte weefsels. De resolutie is lager, omdat deze op basis van geëxtrudeerde druppels is. In veel gevallen is dit een klein nadeel van een anderszins krachtige weefselconstructiemethode.

3. Laserondersteund bioprinten

Bij laserondersteund bioprinten wordt een laser gebruikt om levende cellen of biomaterialen op een bouwplatform over te brengen en nauwkeurig te deponeren. Het creëert de gewenste 3D biologische structuren, zoals weefsels en organen. De laserstraal verdampt substraatmateriaal op een met bio-inkt geladen transfertape. Dit zorgt ervoor dat het substraat snel verdampt en de bio-inkt op de constructie werpt. Hierdoor worden nauwkeurige druppels bio-inkt laag voor laag op de constructie aangebracht om de gewenste 3D-structuur te creëren. Dit is een nauwkeurige simulatie van bubble jet-printen.

Lasergebaseerde bioprinting biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere 3D-printtechnieken, waaronder uiterst nauwkeurige controle over de celplaatsing, de mogelijkheid om met hoge resolutie te printen en de mogelijkheid om een reeks biomaterialen te gebruiken, waaronder die met meer complexe samenstellingen. Overmatig laservermogen kan leiden tot celbeschadiging en de techniek is slecht uitgerust om hoge celdichtheden te leveren.

Wat zijn de verschillende benaderingen van 3D-bioprinten?

De verschillende benaderingen van 3D-bioprinten worden hieronder opgesomd:

1. Biomimicry

Biomimicry maakt gebruik van natuurlijke weefselprocessen en materialen om structurele en functionele bioprintproblemen op te lossen. Biomimicry kan effectievere methoden creëren voor het produceren van nauw analoge biologische weefsels en organen. Het gebruik van natuurlijke extracellulaire matrixmaterialen (ECM) om steigers voor weefselmanipulatie te creëren is een vorm van biomimicry. ECM biedt structurele ondersteuning aan cellen. Het gebruik van natuurlijke ECM-materialen zoals collageen en hyaluronzuur kan de structurele integriteit en functionaliteit van geprint weefsel verbeteren.

Het gebruik van bio-inkten die niet-natuurlijke materialen bevatten die de eigenschappen van natuurlijke weefsels nabootsen, zoals stijfheid, elasticiteit en celadhesie, kan helpen beter functionerende bedrukte weefsels te creëren. Sommige onderzoekers onderzoeken 3D-printmethoden die de manier nabootsen waarop spinnen webben spinnen om complexe en meer natuurtypische eigenschappen te creëren in geprinte biologische structuren.

2. Autonome zelfassemblage

Autonome zelfassemblage probeert cellen in staat te stellen zichzelf te organiseren en de vereiste structuren te vormen zonder de noodzaak van directe manipulatie/plaatsing. Deze benadering probeert de manier na te bootsen waarop cellen zich op natuurlijke wijze assembleren, bij de normale groei van weefsels. Patiëntencellen worden gemengd met een bio-inkt die een gelmateriaal bevat dat in de gewenste vorm kan worden gegoten. De cellen en bio-inkt worden vervolgens geïncubeerd om zelforganisatie mogelijk te maken. Hierdoor ontstaan ​​weefsel- of orgaanstructuren die dichter bij de natuur staan. Deze aanpak verschilt van traditionele bioprintmethoden, waarbij cellen nauwkeurig in een vooraf bepaald patroon worden geplaatst om een structuur te creëren.

Autonoom zelf-assemblerend bioprinten heeft grote voordelen ten opzichte van traditioneel bioprinten als het herhaalbaar en voorspelbaar kan worden gerealiseerd. Het maakt bijvoorbeeld de creatie van complexere en realistischere weefselstructuren mogelijk door ontwikkelingsmorfogenetische processen te mobiliseren. Het wegnemen van de noodzaak voor externe manipulatie vermindert de celbeschadiging die een barrière kan vormen bij bioprinting.

Onderzoekers ontwikkelen nieuwe materialen en technieken om het natuurlijke en intrinsieke zelfassemblageproces te begeleiden, om een natuurlijker en beter functionerend resultaat te bereiken. Dit is misschien wel het belangrijkste onderzoeksgebied op het gebied van bioprinting, omdat het de potentie heeft om een nieuwe revolutie op het gebied van weefselmanipulatie en regeneratieve geneeskunde teweeg te brengen.

3. Miniweefsel

Miniweefsels (of microtissues) zijn beperkte driedimensionale cellulaire structuren. Deze worden gebruikt bij het ontdekken van geneesmiddelen, het testen van toxiciteit en het maken van weefsels, en vooral niet als implantaten voor patiënten. Ze worden gedrukt volgens de algemeen gebruikte methoden:normale bio-inkt doorspekt met levende cellen. Het maken van miniweefsels biedt voordelen ten opzichte van traditionele 2D-petrischaalcelculturen die anders worden gebruikt. Door de complexiteit van natuurlijke weefsels beter na te bootsen, bieden ze realistischere resultaten voor het testen van geneesmiddelen en het screenen op toxiciteit. Onderzoekers verwachten grotere weefsels en organen samen te stellen die mogelijk als implantaat bij patiënten kunnen worden gebruikt door kleine bouwstenen te printen.

Wat zijn de stappen van het 3D-bioprintproces?

Bioprinten is een proces dat in alle opzichten nauwkeurigheid en hoge controle vereist. Elke stap hieronder is een gebied van intensief onderzoek, omdat er voortdurend alternatieve technieken en materialen worden ontwikkeld:

1. Pre-bioprinten

Het pre-bioprintproces bestaat uit verschillende stappen die allemaal precies moeten kloppen; de marges voor variantie en fouten zijn minimaal als het resultaat een bruikbare weefselstructuur moet zijn. De eerste stap is het conceptualiseren en specificeren van de gewenste structuur. Dit zal de vorm, grootte en algemene fysieke eigenschappen van het weefsel definiëren, evenals de soorten cellen en ondersteunende/voedingsmaterialen die zullen worden gebruikt. Nadat de omtrek van de constructie is gedefinieerd, worden gespecialiseerde CAD-tools gebruikt om een ​​zeer gedetailleerd 3D-model van de constructie te creëren. Vervolgens wordt een geschikte bio-inkt geselecteerd of gemaakt, die de structurele, verhardende en voedingsstoffenmix bevat die geschikt is voor de te kweken weefsels. Celselectie en in vitro kweken is de meest delicate stap, waarbij de reproductie van cellen in een kweekmedium onder streng gecontroleerde omstandigheden wordt geïncubeerd en gestimuleerd, om hun levensvatbaarheid en toereikendheid te garanderen.

2. Bioprinten

Bioprinten is de laatste realisatiestap die het fundamentele werk omvat en het vereiste weefselmonster opbouwt. Het is klaar voor incubatie en het geplande gebruik voor medicijnevaluatie, toxiciteitstests of patiëntimplantatie. Het weefselmonster wordt geconstrueerd via stereolithografische methoden of via de zelforganisatie die in het plan is ontworpen.

3. Post-bioprint

Na bioprinten zijn er verschillende kritische verwerkingsstappen die de functie en levensvatbaarheid van het gebouwde weefsel garanderen. Ten eerste moet het gedrukte matrixmateriaal worden verknoopt om een ​​robuuste en stabiele structuur te creëren. Er zijn verschillende methoden beschikbaar, meestal UV-uitharding, warmtebehandeling en extern aangebrachte chemische middelen. Door rijping/incubatie kunnen de cellen zich vervolgens delen en differentiëren. Om dit te laten gebeuren zijn streng gecontroleerde omgevingsomstandigheden nodig. Tijdens de rijping, en opnieuw zodra ze volgroeid zijn, wordt de levensvatbaarheid van de cellen beoordeeld om er zeker van te zijn dat ze hun beoogde functies uitvoeren. Na rijping wordt het gebouwde weefsel gekarakteriseerd om het fysieke, biologische en biochemische karakter ervan te bepalen. Dit proces maakt gebruik van technieken zoals histologie of immunohistochemie om het gedrag van het weefsel te beoordelen. Ten slotte zal het biogeprinte weefsel worden getest om er zeker van te zijn dat het naar verwachting functioneert. Er is een breed scala aan mogelijke tests beschikbaar, geschikt voor bepaalde weefseltypen.

Wat zijn de toepassingen van 3D-bioprinten?

Bioprinting heeft een groeiende lijst met toepassingen, maar de belangrijkste functies die het op dit moment vervult, worden hieronder vermeld:

1. Geneesmiddelenprestaties en beoordeling van bijwerkingen.
2. Toxicologische tests.
3. Patiëntimplantaat.

Wat zijn de voordelen van 3D-bioprinten?

Bioprinten is een krachtige reeks technieken die steeds krachtigere mogelijkheden mogelijk maken op de meeste gebieden van de patiëntengezondheidszorg, de ontwikkeling van geneesmiddelen, het milieu en het testen van toxiciteit. Hieronder vindt u enkele voordelen:

1. Maakt de precisieopbouw van complexe weefselstructuren mogelijk.
2. Kan worden gebruikt om 3D-modellen van organen te maken voor het testen van medicijnen. Dit maakt sneller en minder ethisch beperkt testen van medicijnformuleringen mogelijk.
3. Vermindert de noodzaak voor dierproeven.
4. Kan op maat gemaakte implantaten maken, afgestemd op de behoeften van een specifieke patiënt.
5. Kan levende weefsels en organen bouwen voor transplantatie, hoewel deze capaciteit vooralsnog beperkt is tot eenvoudige structuren. Deze worden opgebouwd uit de cellen van de patiënt, waardoor de afstoting minimaal blijkt te zijn.

Wat zijn de beperkingen van 3D-bioprinten?

Bioprinten kent ernstige beperkingen die het onderwerp zijn van uitgebreid onderzoek, waaronder:

1. Kan momenteel geen complexe weefsels en organen met verschillende celtypen, bloedvaten en zenuwen printen.
2. Bioprintmaterialen zijn duur en moeilijk te produceren.
3. De werking van de printprocessen beschadigt of vernietigt vaak cellen. Dit beperkt de levensvatbaarheid van de bedrukte tissues.
4. Nog steeds een dure en intensief laboratoriumgebaseerde technologie. Het maakt gebruik van dure apparatuur en vereist buitengewone vaardigheden.
5. Er bestaan nog geen standaarden of algemeen aanvaarde richtlijnen. Beoordeling van resultaten tussen methoden en onderzoeksgroepen is een uitdaging.

Hoe stimuleert 3D-bioprinting innovatie in de medische industrie?

Bioprinting zal het belangrijkste instrument voor regeneratieve chirurgie worden voor een breed spectrum van degeneratieve ziekten en fysiologische aandoeningen. Het printen van een nieuw, functioneel hart ter vervanging van het beschadigde hart van een patiënt is nog een ver vooruitzicht, maar de eerste bouwstenen zijn aanwezig. Op dit moment verkort en verlaagt bioprinting de kosten van medicijnevaluatie- en certificeringscycli. Het vermindert de belemmeringen voor markttoegang voor nieuwe geneesmiddelen.

Welk type 3D-printen is bioprinten?

Bioprinten is over het algemeen gebaseerd op stereolithografische methoden, waarbij weefsels laag voor laag worden opgebouwd uit een 3D-bestand. De volgende revolutie zal dit waarschijnlijk meer in de richting van zelforganisatie brengen, tenminste op het gebied van cellulaire distributie en positionering.

Raadpleeg onze volledige gids over de 8 soorten 3D-printprocessen voor meer informatie.

Zijn 3D-printen en 3D-bioprinten hetzelfde?

Nee, 3D-printen en 3D-bioprinten zijn niet hetzelfde, maar er zijn wel overeenkomsten. Sommige van de tools die bij bioprinting worden gebruikt, zijn uitwisselbaar met die in de rapid prototyping-sector. Het verschil tussen de twee sectoren is echter duidelijk en zal snel groter worden. Bioprinting overschrijdt snel de complexiteitsbeperkingen van de rapid prototyping-sector, omdat onderzoekers steeds complexere en beter functionerende resultaten proberen te produceren.

Samenvatting

Dit artikel presenteerde 3D-bioprinten, legde het uit en besprak de verschillende soorten en toepassingen ervan. Neem voor meer informatie over 3D-printen in andere sectoren contact op met een vertegenwoordiger van Xometry.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder 3D-printen en andere diensten met toegevoegde waarde voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website voor meer informatie of vraag een gratis en vrijblijvende offerte aan.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is afgestudeerd aan de B.Eng Honours in Werktuigbouwkunde en heeft meer dan twintig jaar ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke functies bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep inzicht ontwikkelde in technische processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements