3D-bioprinting uitgelegd: definitie, geschiedenis, mechanismen en belangrijkste typen

3D-bioprinting vertegenwoordigt een groep vroege-stadietechnologieën. Deze onderzoeksvelden bestuderen het gebruik van biologische materialen bij het printen van functionele implantaten en testapparaten die echte weefsels simuleren, stimuleren of repliceren, voor patiëntimplantaten of onderzoeksdoeleinden. Hoewel deze technologieën zich in een zeer vroege fase bevinden, tonen ze de belofte van paradigmaschuivingen in medische interventies met dramatische en verstrekkende implicaties.

Wat wordt bedoeld met 3D-bioprinting?

3D-bioprinting is het gebruik van biologische en bio-functionele materialen in additieve productie. Gespecialiseerde printers worden gebruikt om 3D-structuren te creëren van deze biologische materialen. Voorbeelden zijn: levende cellen, bio-actieve framework- of scaffold-materialen en biomoleculen. Het proces gebruikt typische 3D-printmethoden om het biologische materiaal in lagen af te zetten, wat resulteert in biologische nabootsingen, frameworks en vervangende constructies voor diverse medische doeleinden.

Het doel van deze 3D-bioprinting is de productie van hoogst functionele, complexe weefselconstructies en uiteindelijk organen. Deze worden gebruikt voor medische doeleinden zoals patiëntimplantatie, geneesmiddelentesten en pathologiemodellering. De technologie verkeert momenteel nog in een redelijk primitief stadium. Wat betreft functionerende weefsels, duidt onderzoeksvoortgang erop dat het de gezondheidszorg zal revolutioneren door de op maat fabricage van organen die functioneel gelijk zijn aan (of beter dan) de natuurlijke weefsels die ze repliceren.

Wanneer begon 3D-bioprinting?

Er is geen enkel moment waarop de technologieën en het onderzoek die tot 3D-bioprinting hebben geleid, plotseling doorbraken tot patiëntoplossingen. Echter, verschillende significante gebeurtenissen staan uit als seminaal voor de fundering van deze technologie. Gabor Forgacs observeerde dat cellen georganiseerd konden worden in "nieuwe" ruimtelijke structuren en dat ze zich zouden combineren en de structuur ongedefinieerd zouden behouden. Dit inzicht was later cruciaal voor de 3D-constructie van biologische structuren, want het leerde dat ze geïnduceerd konden worden om een vorm te behouden.

Biocompatibele materialen gingen rond 2000 in gebruik voor regeneratieve gezondheidsoplossingen. Dit leidde direct tot de constructie van ruimtelijke scaffolds, ontwikkeld aan de Wake Forest University. Scaffolds werden bezaaid met gekweekte patiëntcellen en geïmplanteerd zonder afstoting of immunosuppressiva. Deze bleken langdurig stabiel. In 2002 werd bio-extrusietechnologie gerapporteerd door Landers en gecommercialiseerd als "3D-Bioplotter". Wilson en Boland gebruikten in 2003 een gemodificeerde HP-inkjetprinter als bioprinter en ontwikkelden in 2004 celgeladen bioprinting met een commerciële SLA-printer voor scaffoldconstructie.

Hoe werkt 3D-bioprinting?

Het proces van 3D-bioprinting bestaat in het algemeen uit deze stappen:

1. Creëer een 3D-ontwerp van de weefsels of organen die geprint zullen worden. Tools zoals BioPrint Pro van Allevi 3D ontwikkelen zich snel.
2. Selecteer de ideale bio-inkt. Het materiaal dat in 3D-printing wordt gebruikt, bevat materialen zoals: eiwitten en groeifactoren in biocompatibele, fotogeoorde harsen. Dit zijn kant-en-klare materialen, klaar om te printen op ongeschikte SLA-bioprinterapparatuur. Voor het printen moeten ze geïmpregneerd worden met gekweekte patiëntcellen die gestimuleerd zullen worden om het orgaan te "laten groeien".
3. De bioprinter bouwt het model zoals ontworpen, verwerkt via standaard slicer-software. Bio-inkten zijn geformuleerd voor diverse productiemethoden, zoals extrusie, inkjet en SLA-printing. Het afgedeponeerde bio-inkt smelt tot een porieuze structuur, klaar voor celrijping.
4. De geprintte structuur wordt gecureerd tot een stabielere, gekruiste vorm door diverse processen, afgestemd op specifieke bio-inkttypes.
5. Na kruisverbinding wordt het geprintte materiaal geïncubeerd in een bioreactor. Het geprintte weefsel/orgaan wordt in dit proces als een levend organisme behandeld, om de ontwikkeling te optimaliseren.

Voor meer informatie, zie onze gids over Hoe 3D-printers werken.

Wat is het belang van 3D-bioprinting?

Het toenemende gebruik van bioprinting in alle gebieden van patiëntenzorg, geneesmiddelontwikkeling en onderzoek is het resultaat van de ontwikkeling van een steeds krachtigere toolkit. Dit is het beginstadium van wat waarschijnlijk de fabricage van volledige vervangende weefsels en organen zal worden. De mogelijkheid om op maat nieuwe organen te bouwen voor chirurgische implantaten staat op het punt de gehele medische sector te revolutioneren. Het maakt patiëntbehandelingen mogelijk met de eigen weefsels van de patiënt geïnduceerd om nieuwe, perfecte en "echte" transplantaten te leveren met weinig tot geen afstotingsrisico. Figuur 1 is een voorbeeld van een biogeprint orgaan:

3D-biogeprint orgaan.

Beeldcredit: Shutterstock.com/guteksk7

Wat is het doel van 3D-bioprinting?

Bioprinting is het proces van het leveren van incubatieklaare, patiëntcel-gepopuleerde scaffolds die geïncubeerd en gekweekt kunnen worden tot vervangende organen. Het is een onmisbare, cruciale stap in het leveren van patiëntklare, transplanteerbare weefsels en organen die het immuunsysteem van de patiënt herkent als "eigen".

Wat zijn de verschillende typen 3D-bioprinting?

Bioprinting heeft zich ontwikkeld in drie duidelijke takken, elk met zijn moeilijkheden en voordelen:

1. Inkjet-gebaseerde bioprinting

Inkjet-gebaseerde bioprinting gebruikt specifiek gemodificeerde inkjetprinting om levende cellen en biomaterialen op een stereolithografisch 3D-construct te plaatsen om biologische structuren - weefsels en organen - te bouwen. De printkop dispensert bio-inkt met patiëntcellen en biologische ondersteunende media, wat een "beeld" levert van elke laag in het 3D-ontwerp, opgebouwd op de vorige laag. Deze bio-inkten bevatten UV-geoorde of warmte-geharde elementen die elk laag integreren en binden aan de eronder liggende. Op deze manier worden de weefsels zoals ontworpen in een 3D-structuur gelegd die vervolgens geïncubeerd kan worden tot volwassenheid.

Inkjet-gebaseerde bioprinting is hoge resolutie, hoge snelheid en geschikt voor het toepassen van meerdere celtypen of biomaterialen in één print. Hoewel nog ver van mainstream, is deze technologie een belangrijke experimentele methode in weefseltechniek voor regeneratieve en implantgeneeskunde en ook in geneesmiddelentesten.

2. Druk-geassisteerde bioprinting

Druk-geassisteerde bioprinting gebruikt een pneumatische- of hydraulisch gedreven afgifte van fijne druppels bio-inkt op een buildplatform. Dit bouwt de weefsels zoals ontworpen, in een laag-voor-laag proces. Wanneer de bio-inktlaag gedeponeerd is, wordt deze gecureerd door ultraviolette lichtblootstelling of temperatuurverandering. Dit proces helpt een integrale structuur te maken die geïncubeerd kan worden om de patiënt- (of onderzoekstest-) klare weefsels te rijpen. Dit proces is in veel opzichten simpeler dan de alternatieven. Het toestaat gemengde celplaatsing, voor nader nabootsing van echte weefsels. De resolutie is lager, omdat het op extrusie-gebaseerde druppels is. In veel gevallen is dit een klein nadeel voor een anders krachtige weefselconstructiemethode.

3. Laser-geassisteerde bioprinting

Laser-geassisteerde bioprinting gebruikt een laser om levende cellen of biomaterialen precies over te dragen en te depositeren op een buildplatform. Het creëert de gewenste 3D-biologische structuren, zoals weefsels en organen. De laserstraal verdampt substraatmateriaal op een bio-inkt-geladen transfertape. Dit zorgt ervoor dat het substraat flitsverdamp en de bio-inkt op de build expelleert. Dit deposeert precieze druppels bio-inkt op de build laag-voor-laag om de gewenste 3D-structuur te creëren. Dit is een nabootsing van bubblejet-printing.

Laser-gebaseerde bioprinting biedt diverse voordelen ten opzichte van andere 3D-printtechnieken, waaronder hoge-precisiecontrole over celplaatsing, de mogelijkheid om met hoge resolutie te printen en de mogelijkheid om een scala aan biomaterialen te gebruiken, inclusief die met complexere samenstellingen. Overmatig laservermogen kan celschade veroorzaken, en de techniek is slecht toegerust om hoge celdichtheden te leveren.

Wat zijn de verschillende 3D-bioprinting-benaderingen?

De verschillende 3D-bioprinting-benaderingen zijn hieronder vermeld:

1. Biomimicry

Biomimicry gebruikt natuurlijke weefselprocessen en materialen om structurele en functionele bioprintingproblemen op te lossen. Biomimicry kan effectievere methoden creëren voor het produceren van nauw analoge biologische weefsels en organen. Het gebruik van natuurlijke extracellulaire matrix (ECM) materialen om scaffolds voor weefseltechniek te creëren is één 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 geprintte weefselresultaten verbeteren.

Het gebruik van bio-inkten die niet-natuurlijke materialen bevatten die de eigenschappen van natuurlijke weefsels nabootsen, zoals stijfheid, elasticiteit en celdhechting, kan helpen betere functionerende geprintte weefsels te creëren. Sommige onderzoekers verkennen 3D-printmethoden die de manier nabootsen waarop spinnewebben spinnen om complexe en meer natuurgetrouwe eigenschappen in geprintte biologische structuren te creëren.

2. Autonome zelfassemblage

Autonome zelfassemblage streeft ernaar cellen in staat te stellen zich zelf te organiseren en de vereiste structuren te vormen zonder de noodzaak voor directe manipulatie/plaatsing. Deze benadering probeert de manier na te bootsen waarop cellen zich in de normale groei van weefsels van nature assemblieren. Patiëntcellen worden gemengd met een bio-inkt die een gelmateriaal bevat dat in de vereiste vorm gegoten kan worden. De cellen en bio-inkt worden vervolgens geïncubeerd om zelforganisatie toe te laten. Dit vormt weefsel- of orgaanstructuren die dichter bij de natuur liggen. Deze benadering verschilt van traditionele bioprintingmethoden, waarin cellen precies in een vooraf bepaald patroon geplaatst worden om een structuur te creëren.

Autonome zelfassemblage bioprinting heeft grote voordelen ten opzichte van traditionele bioprinting als het herhaalbaar en voorspelbaar gemaakt kan worden. Bijvoorbeeld, het stelt de creatie van complexere en realistischere weefselstructuren toe door ontwikkelings-morfogenetische processen te mobiliseren. Het wegnemen van de noodzaak voor externe manipulatie vermindert de celschade die een barrière kan zijn in bioprinting.

Onderzoekers ontwikkelen nieuwe materialen en technieken om het natuurlijke en intrinsieke zelfassemblageproces te sturen, om een meer natuurlijk en hoger functionerend resultaat te leveren. Dit is misschien wel het meest significante onderzoeksgebied in bioprinting, omdat het de potentie heeft om nog een revolutie in weefseltechniek en regeneratieve geneeskunde teweeg te brengen.

3. Mini-weefsel

Mini-weefsels (of microweefsels) zijn beperkte driedimensionale cellulaire structuren. Deze worden gebruikt in geneesmiddelontdekking, toxiciteitstesten en weefseltechniek - en specifiek niet als patiëntimplantaten. Ze worden geprint met de algemeen gebruikte methoden: normale bio-inkten versierd met levende cellen. De creatie van mini-weefsels biedt voordelen ten opzichte van traditionele 2D, Petrifazencelcultures die anders gebruikt worden. Door de complexiteit van natuurlijke weefsels nader te nabootsen, bieden ze realistischere resultaten voor geneesmiddelentesten en toxiciteitsscreening. Onderzoekers verwachten grotere weefsels en organen die potentieel als implantaten in patiënten gebruikt kunnen worden te assembleren door kleine bouwstenen te printen.

Wat zijn de stappen van het 3D-bioprintingproces?

Bioprinting is een proces dat rigueur en hoge controle in alle opzichten vereist. Elke stap hieronder is een gebied van intense onderzoek, aangezien alternatieve technieken en materialen constant worden ontwikkeld:

1. Pre-bioprinting

Het pre-bioprintingproces bestaat uit verschillende stappen die allemaal precies goed moeten zijn - marges voor variantie en fout zijn minimaal als het resultaat een nuttige weefselstructuur moet zijn. De eerste stap is het conceptualiseren en specificeren van de gewenste structuur. Dit definieert de vorm, grootte en algemene fysische eigenschappen van het weefsel en de typen cellen en ondersteunende/voedingsmaterialen die gebruikt zullen worden. Met de outline van de gedefinieerde structuur worden speciale CAD-tools gebruikt om een gedetailleerd 3D-model van de structuur te creëren. Een geschikte bio-inkt wordt geselecteerd of gecreëerd, bevattende de structurele, verhardende en voedingsmix geschikt voor de te kweken weefsels. Celselectie en -kweek in vitro is de meest delicaten stap, met incuberen en het aanmoedigen van celreproductie in een cultuurmedium onder strak gecontroleerde omstandigheden, om hun levensvatbaarheid en voldoende te waarborgen.

2. Bioprinting

Bioprinting is de uiteindelijke realisatiestap die het fundamentele werk neemt en het vereiste weefselmonster bouwt. Het is klaar voor incubatie en de geplande gebruik voor geneesmiddelenevaluatie, toxiciteitstesten of patiëntimplantaat. Het weefselmonster wordt geconstrueerd ofwel door stereolithografische methoden ofwel door de zelforganisatie die in het plan ontworpen was.

3. Post-bioprinting

Na bioprinting zijn er diverse kritische verwerkingsstappen die de functie en levensvatbaarheid van het gebouwde weefsel waarborgen. Eerst moet het geprintte matrixmateriaal gekruist worden om een robuuste en stabiele structuur te creëren. Verschillende methoden zijn beschikbaar, typisch UV-curing, warmtebehandeling en extern toegepaste chemische agenten. Rijping/incubatie laat de cellen delen en differentiëren. Strak gecontroleerde omgevingsomstandigheden zijn hiervoor vereist. Tijdens de rijping, en opnieuw eenmaal gerijpt, wordt de levensvatbaarheid van de cellen beoordeeld om te zorgen dat ze hun beoogde functies uitvoeren. Na rijping wordt het gebouwde weefsel gekarakteriseerd om de fysieke, biologische en biokemische karakter te bepalen. Dit proces gebruikt technieken zoals histologie of immunohistochemie om het weefselgedrag te beoordelen. Ten slotte wordt het biogeprintte weefsel getest om te verzekeren dat het functioneert zoals verwacht. Een breed scala aan mogelijke testen is beschikbaar, afgestemd op specifieke weefseltypen.

Wat zijn de toepassingen van 3D-bioprinting?

Bioprinting heeft een groeiende lijst met toepassingen, maar de hoofdfuncties die het op dit moment dient, zijn hieronder vermeld:

1. Geneesmiddelprestaties en bijwerkingen beoordelen.
2. Toxiciteitstesten.
3. Patiëntimplantaat.

Wat zijn de voordelen van 3D-bioprinting?

Bioprinting is een krachtige set technieken die steeds krachtigere mogelijkheden mogelijk maakt in de meeste gebieden van patiëntenzorg, geneesmiddelontwikkeling, milieu- en toxiciteitstesten. Hieronder staan enkele van de voordelen:

1. Staat toe de precisiebouw van complexe weefselstructuren.
2. Kan gebruikt worden om 3D-modellen van organen te creëren voor geneesmiddelentesten. Dit stelt snellere en minder ethiek-beperkte testen van geneesmiddelformuleringen toe.
3. Vermindert de noodzaak voor dierproeven.
4. Kan op maat implantaten creëren, afgestemd op de specifieke behoeften van een patiënt.
5. Kan levende weefsels en organen bouwen voor transplantatie, hoewel deze capaciteit nog beperkt is tot eenvoudige structuren. Deze zullen gebouwd worden uit de cellen van de patiënt, zodat afstoting minimaal is aangetoond.

Wat zijn de beperkingen van 3D-bioprinting?

Bioprinting heeft ernstige beperkingen die het onderwerp zijn van uitgebreid onderzoek, waaronder:

1. Kan momenteel geen complexe weefsels en organen met diverse celtypen, bloedvaten en zenuwen printen.
2. Bioprintingmaterialen zijn duur en moeilijk te produceren.
3. De mechanica van de printprocessen beschädigen of vernietigen vaak cellen. Dit beperkt de levensvatbaarheid van de geprintte weefsels.
4. Nog steeds een dure en intensief lab-gebaseerde technologie. Het gebruikt dure apparatuur en vereist buitengewone vaardigheden.
5. Er zijn nog geen standaarden of brede geaccepteerde richtlijnen. Beoordeling van resultaten tussen methoden en onderzoepsgroepen is uitdagend.

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

Bioprinting staat ingesteld om het primaire regeneratieve chirurgische instrument te worden voor een wijd spectrum van degeneratieve ziekten en fysiologische condities. Het printen van een nieuw, functioneel hart om een beschadigd van een patiënt te vervangen is nog een ver af gelegen vooruitzicht, maar de vroege bouwstenen liggen klaar. Op dit moment verkort en verlaagt bioprinting de kosten van geneesmiddelenevaluatie- en certificeringscycli. Het verlaagt de barrières voor markttoetreding voor nieuwe farmaceutica.

Wat voor type 3D-printing is bioprinting?

Bioprinting is over het algemeen gebaseerd op stereolithografische methoden, waarbij weefsels laag voor laag gebouwd worden vanuit een 3D-bestand. De volgende revolutie zal waarschijnlijk meer in de richting van zelforganisatie gaan, tenminste in cellulaire distributie en positionering.

Om meer te leren, zie onze volledige gids over de 8 typen 3D-printprocessen.

Zijn 3D-printing en 3D-bioprinting hetzelfde?

Nee, 3D-printing en 3D-bioprinting zijn niet hetzelfde, maar er zijn overeenkomsten. Sommige tools die in bioprinting gebruikt worden, zijn uitwisselbaar met die in de rapid prototyping-sector. De divergente tussen de twee sectoren is echter duidelijk en zal snel toenemen. Bioprinting overschrijdt snel de complexiteitsbeperkingen van de rapid prototyping-sector, naarmate onderzoekers streven naar steeds complexere en hoger functionerende resultaten.

Samenvatting

Dit artikel presenteerde 3D-bioprinting, legde het uit en besprak de verschillende typen en toepassingen. Om meer te leren over 3D-printing in andere industrieën, neem contact op met een Xometry-vertegenwoordiger.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder 3D-printing en andere meerwaardediensten voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website voor meer informatie of om een gratis, niet-binderende offerte aan te vragen.

Disclaimer

De inhoud op deze webpagina is uitsluitend bedoeld voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele representatie of garantie van welke aard dan ook, uitdrukkelijk of impliciet, wat betreft de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en typen materialen of processen mogen niet worden geïmpliceerd als vertegenwoordigend voor wat door derden leveranciers of fabrikanten via Xometry's netwerk geleverd zal worden. Kopers die offertes voor onderdelen aanvragen, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke eisen voor die onderdelen. Raadpleeg onze voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is een B.Eng Honors-afgestudeerde in Werktuigbouwkunde met meer dan twee decennia ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele loopbaan omvat significante rollen bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep begrip ontwikkelde van engineeringprocessen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements