Biotiskanje: kaj je in kako se uporablja v medicini

Vsebina

• Kako deluje biotiskanje
• Biotisk na čipu
• Biotisk in kostni presadki
• Biotiskanje in regenerativna koža in tkiva
• Bioprinting krvnih žil

Bioprinting (znan tudi kot 3D bioprinting) je kombinacija 3D tiskanja z biomateriali za ponovitev delov, ki posnemajo naravna tkiva, kosti in krvne žile v telesu. Uporablja se predvsem v povezavi z raziskavami zdravil in nazadnje kot celični odri za pomoč pri obnovi poškodovanih vezi in sklepov. Bioprinting se v medicini uporablja od približno leta 2007 in je bil uporabljen za preučevanje ali poustvarjanje skoraj vseh tkiv, hrustanca in organov v telesu.

Kako deluje biotiskanje

3D-tiskalnik lahko globino tiska, kar tiska, bioprinter pa to počne tako, da biomateriale, kot so žive celice, sintetično lepilo in kolagenski odri, v plasteh razporedi, da ustvari predmet. Ta postopek se imenuje aditivna proizvodnja - materiali, dovedeni v tiskalnik, se strdijo, ko nastanejo in ustvarijo 3D objekt.

Ni pa tako preprosto, kot da v 3D tiskalnik vstavite materiale in pritisnete gumb. Da bi prišel do faze izdelave aditivov, mora tiskalnik prejeti načrt - računalniško ustvarjeno sliko tega, kar poskuša ustvariti. Nato materiale, ki jih želite uporabiti za predmet, kot ga vstavite v tiskalnik. Tiskalnik prebere digitalno datoteko, ki ste mu jo dali med tiskanjem materialov, ki ste ji jih dali v plasteh, da ponovno ustvari želeni predmet. Vsaka plast se bo ohladila in se med seboj prijela (zahvaljujoč kolagenu, lepilu ali v nekaterih primerih samo celicam) in ustvarila en trden, stabilen kos.

Da bi žive celice (običajno jih imenujemo bioink) nahranili v bioprinter, lahko raziskovalci uberejo številne poti. Najprej jih lahko vzamete neposredno od pacienta, kateremu tiskajo. Če pa se uporabljajo za raziskovalne namene ali v primerih, ko ne morejo uporabiti pacientovih lastnih celic, se lahko uporabijo odrasle matične celice, saj jih je mogoče manipulirati glede na vrsto celic, ki so potrebne za biotiskanje za ponovno ustvarjanje tkiva.

Načrt, ki ga uporablja bioprinter, je pogosto skeniranje bolnika. To omogoča bioprinterju, da znova ustvari tkivo tako, da se sklicuje na skeniranje in uporablja tanke, natančne plasti za nabiranje ali tiskanje tkiva.

Biotisk na čipu

Eden od načinov, kako se 3D-tiskanje trenutno uporablja v znanstvenih in medicinskih skupnostih, je testiranje regenerativne medicine. Na inštitutu Wyss na Harvardu so raziskovalci razvili 3D bioprinter, ki lahko tvori vaskularizirana tkiva živih človeških celic, ki so natisnjena na čipu. To tkivo uporabljajo na čipu, da ga povežejo z žilnim kanalom, kar omogoča raziskavam, da tkivu dajo hranila za spremljanje rasti in razvoja.

Sposobnost gojenja tkiva na čipu pomaga raziskovalcem preučiti nove tehnike v regenerativni medicini in tudi testiranje zdravil. Z uporabo 3D bioprinterja lahko raziskovalci preučijo tudi različne metode ustvarjanja čipov. Eden od dosežkov je bil ustvariti srce na čipu s senzorji za raziskave in zbiranje podatkov. To je morda prej zahtevalo preskuse na živalih ali druge ukrepe.

Biotisk in kostni presadki

Kar zadeva medicinsko prakso, se je treba še veliko naučiti in preizkusiti pri ustvarjanju biotiskanih organov, ki so prilagojeni človeški velikosti. Vendar se naredijo precejšnji koraki, na primer na področju cepljenja kosti, da se odpravijo težave s kostmi in sklepi, ki jih obkrožajo.

Najpomembnejši napredek so raziskovalci z univerze Swansea v Walesu. Bioprinterji ekipe lahko z uporabo regenerativnega in trpežnega materiala ustvarijo umetne kostne materiale v posebnih oblikah, ki so potrebne. Raziskovalci na AMBER Science Foundation Ireland in Trinity College v Dublinu na Irskem so ustvarili postopek za podporo 3D biotiska kostnega materiala za pomoč pri okvarah, ki jih povzročajo resekcije tumorjev, travme in okužbe ter genetske kostne deformacije.

Univerza v Nottinghamu v Angliji je prav tako dosegla napredek na tem področju medicine, saj je z biotipsko kopijo kosti, ki jo nadomeščajo, prevlekla z matičnimi celicami. Oder je nameščen znotraj telesa. Sčasoma ga s pomočjo matičnih celic popolnoma nadomesti nova kost.

Biotiskanje in regenerativna koža in tkiva

Koža je uspešno področje medicine za biotiskanje zaradi sposobnosti stroja, da se tiska. Ker je koža večplastni organ, ki ga v vsaki plasti sestavljajo različne celice, raziskovalci upajo, da lahko sčasoma biotiskanje pomaga pri reprodukciji plasti kože, kot sta dermis in povrhnjica.

Raziskovalci na Medicinski fakulteti Wake Forest v Severni Karolini to natančno preučujejo, ko gre za opekline, ki nimajo dovolj nepoškodovane kože za spravilo, da bi pomagale pri negi in celjenju ran. V tem primeru bi bioprinter iz skenerja dobil informacije o pacientovi rani (vključno s potrebnimi globinami in vrstami celic), da bi pomagal ustvariti novo kožo, ki bi jo nato lahko uporabili na pacientu.

Na državni univerzi Pennsylvania raziskovalci delajo na 3D biotisku, ki lahko ustvari hrustanec, ki pomaga popraviti tkivo v kolenih in na drugih predelih, ki se pogosto obrabljajo v telesu, pa tudi kožo in druga tkiva živčnega sistema, ki so bistvena za zdravje organov. .

Bioprinting krvnih žil

Sposobnost poustvarjanja krvnih žil z bioprinterjem je v pomoč ne le pri možnosti, da jih lahko presadimo neposredno v pacienta, temveč tudi pri testiranju zdravil in prilagojeni medicini. Raziskovalci iz Brighama in Ženske bolnišnice so na tem področju medicine dosegli napredek s tiskanjem agaroznih vlaken, ki služijo kot krvne žile. Raziskovalci so ugotovili, da so te bioprinted krvne žile dovolj močne, da se premikajo in tvorijo večje mreže, namesto da bi se raztapljale okoli obstoječe strukture.

Beseda iz zelo dobrega

Raziskave, ki izhajajo iz biotiskanja, so fascinantne, in čeprav je prišlo do velikega napredka v znanju in pridobitvi sposobnosti biotiska kosti, kože, krvnih žil, hrustanca in celo organov, je pred mnogimi še veliko napredka teh praks so prilagojene medicini.

Nekateri so morda pripravljeni prej kot drugi. V primeru biotiska in raziskovalec kože upa, da bo znanost pripravljena v petih letih za vojake, ki imajo v bojih velike opekline. Druga področja biotiska, na primer poustvarjanje organov, ki bi jih ljudje uporabili, še vedno potekajo v razvoju.

Ko je treba posnemati telesne procese in opazovati medsebojno delovanje nekaterih zdravil znotraj večjega sistema telesa, je biotisk odprl vrata pri zbiranju podatkov in neinvazivnih načinov, kako videti, kako človeško telo deluje z nekaterimi snovmi, kar bi lahko privedlo do bolj prilagojeno zdravilo za pacientove in manj neželene učinke.