Идея, что ученые разрабатывают части тела в лаборатории, обычно вызывает научно-фантастические образы, слишком надуманные, чтобы когда-либо рассматриваться за пределами стереотипа безумного ученого. На самом деле, секторы медицинской и тканевой инженерии достигли большого прогресса в использовании технологии 3D-печати в сочетании с биологическими материалами, чтобы сделать это. Сегодня биопечать или 3D биопечать делает большие успехи и стремится стать одной из самых важных революций в мировой медицинской панораме.

3D-печать — это общий термин для создания 3D-объекта с использованием различных производственных подходов. В настоящее время наиболее распространенным материалом является жидкий пластик, который распыляется из струйной печатающей головки слой за слоем в модели, которая затвердевает, создавая трехмерный объект.

Для достижения этой цели потребовалось несколько важных открытий. 3D-печать, похожая на форму, которую мы видим сегодня, впервые была запатентована в 1988 году как «Моделирование методом наплавки» (FDM). FDM берет катушку из термореактивного материала, такого как металл или пластик, и подает нити с этой катушки на печатающую головку. Здесь материал проволоки расплавляется и экструдируется через печатное оборудование, так что его можно добавлять в конкретную модель, такую ​​как чернила. Когда материал остывает, объект приобретает сплошную форму.

Идея 3D-печати не сильно изменилась со времени получения этого оригинального патента, но термин 3D-печать не прижился до 1993 года, года, когда головки принтера были оптимизированы при MIT . , Там они начали использовать процесс порошкового слоя, используемый большинством струйных принтеров, где слой порошка наносится между слоями «чернил» (в данном случае жидкого пластика), чтобы помочь слоям оставаться вместе .

С 1993 года новые компании значительно расширили 3D-печать, чтобы сделать ее доступной для коммерческого использования или для дома или в лаборатории. Существует также сильный толчок к тому, чтобы 3D-печать стала формой устойчивого строительства с использованием переработанных пластиковых гранул в качестве сырья.

Основное использование 3D-печати — это проектирование 3D-объекта, обычно создаваемого с помощью автоматизированного проектирования (CAD). На сегодняшний день на рынке существует ряд как открытых, так и платных пакетов программного обеспечения, специализирующихся на 3D-печати. Они варьируются от программного обеспечения для любителей до тех, которые специально предназначены для приложений биопечать или 3D биопечать . Интересно, что традиционные 3D-печатные пластиковые объекты все чаще используются в биологии. Многие исследователи начали 3D-печать пользовательских штативов для трубок, деталей оборудования и даже 3D-печать специальной крышки для покровных стекол!

3D биопечать включает в себя фактическую 3D печать двух материалов:

• биоматериал или неживые леса, которые будут поддерживать живые материалы
• «биоинк» или живые части структуры, которые будут визуализировать клеточную структуру.

И биоматериал, и биоинк в зависимости от приложения сильно различаются, но обобщения существуют. Биоматериал определяется как любой материал, предназначенный для взаимодействия с живой системой . Обычно они представляют собой форму гидрогеля, который действует как внеклеточный матрикс и содержит специальные химические и биофизические сигналы для инструктирования биоинка.

Bioink, как правило, представляет собой смесь клеточной «суспензии» с одним или несколькими типами клеток в зависимости от конкретного применения. Оба компонента представляют две важные проблемы оптимизации: функционализацию и экструзию.Биопечать все еще в значительной степени основано на методах FDM для создания объектов, в отличие от механизмов струйной печати. Это связано с природой материалов и способностью пропускать их через узкое сопло, сохраняя при этом их функциональные возможности.

Существует три основных направления в области 3D-биопечати. ​​

• биомиметика — это настоящая попытка создать функциональные части тела в лаборатории. Как следует из названия, эти приложения пытаются полностью имитировать биологическую систему, в надежде обеспечить полную или частичную замену этой биологической системы при необходимости. Изучение того, как клетки организованы в этих точных микросредах, теперь позволило исследователям лучше спроектировать эти микросреды. Учитывая огромный разрыв между большой потребностью в пересадке органов и количеством доступных органов, это амбициозная цель.
• Самосборка. В этой области исследований сочетаются принципы, лежащие в основе органоидов, — современная научная разработка, в которой используются трехмерные клеточные культуры для моделирования важных функций целых органов и 3D-печати. Биоматериал и биоинк, как правило, предварительно смешивают и печатают вместе в виде сфероида, позволяя клеткам самостоятельно расширяться в трехмерной среде. Стволовые клетки часто используются как биоинксы, давая всему объекту способность к дальнейшей дифференцировке. При использовании с индуцированными единичными плюрипотентными стволовыми клетками это поле может революционизировать персонализированную медицину.
• Мини-ткани . Здесь 3D-биопечать снова сочетается с другой модной техникой — микрофлюидикой. В основе этого лежит идея о том, что каждый орган или ткань состоит из фундаментальных блоков. Затем вы можете воссоздать эти предопределенные миниатюрные блоки для облегчения работы и изучения. Часто это связано с потоком жидкости через 3D-печатный объект для имитации кровотока через микрососудистую систему. Мини-ткани или органы на чипе могут не иметь прямого воздействия на пациентов, но стали нормой для понимания фундаментальной биологии событий масштаба ткани.

Результаты публикации PubMed впервые появились в 2007 году, а публикации с 2013 года значительно увеличились, хотя и появились новые, в поле были включены внимание ученых и широкой общественности. Трехмерная биопечать использовалась для изучения или имитации каждой системы органов в организме человека . Кроме того, было продемонстрировано, что масштаб 3D-печати для использования на людях возможен, но полная функциональность и долговечность пересаживаемого органа не была продемонстрирована.

Вполне вероятно, что вы впервые увидите появление технологий, ориентированных на органоиды с 3D-печатью или мини-ткани для лабораторных испытаний составов, таких как косметика. Хотя функциональные искусственные органы еще не созданы, можно сказать, что это на горизонте и представляет собой революционный прогресс в области медицинских технологий. Поскольку эта технология настолько нова, этические последствия далеко не таковы. решена. Недавний обзор социально-этических взглядов на биопечать показал, что эта тема не обсуждается в настоящее время за пределами биомедицинских наук. Для того чтобы 3D-биопечатка полностью реализовала свой потенциал, этические последствия и методы борьбы с ними должны будут развиваться так же быстро, как и сама технология.