Sa isang malaking pagsulong sa 3D bioprinting technique, ang mga cell at tissue ay nilikha upang kumilos sa kanilang natural na kapaligiran upang makabuo ng 'totoong' biological na istruktura
Ang 3D printing ay isang pamamaraan kung saan ang isang materyal ay pinagsama-sama at sa gayon ay pinagsama o pinatibay sa ilalim ng digital na kontrol ng isang computer upang lumikha ng isang three-dimensional na bagay o entity. Ang Rapid Prototyping at Additive Manufacturing ay ang iba pang mga terminong ginamit upang ilarawan ang pamamaraang ito ng paglikha ng mga kumplikadong bagay o entity sa pamamagitan ng layering na materyal at unti-unting nabuo – o simpleng 'additive' na paraan. Ang kahanga-hangang teknolohiyang ito ay umiikot sa loob ng tatlong dekada matapos na opisyal na matuklasan noong 1987, kamakailan lamang ito ay na-thrust sa limelight at kasikatan bilang hindi lamang isang paraan ng paggawa ng mga prototype ngunit sa halip ay nag-aalok ng ganap na functional na mga bahagi. Ganyan ang potensyal ng mga posibilidad ng 3D pag-print na ito ngayon ay nagtutulak ng mga pangunahing inobasyon sa maraming lugar kabilang ang engineering, pagmamanupaktura at medisina.
Available ang iba't ibang uri ng mga pamamaraan sa paggawa ng additive na sumusunod sa parehong mga hakbang upang makamit ang panghuling resulta. Sa unang mahalagang hakbang, ang disenyo ay ginawa gamit ang CAD (Computer-Aided-Design) software sa computer–tinatawag na digital blueprint. Mahuhulaan ng software na ito kung paano lalabas at kikilos din ang panghuling istraktura, kaya ang unang hakbang na ito ay mahalaga para sa isang magandang resulta. Ang disenyo ng CAD na ito ay iko-convert sa isang teknikal na format (tinatawag na .stl file o karaniwang wika ng tessellation) na kinakailangan para sa 3D printer na makapag-interpret ng mga tagubilin ng disenyo. Susunod, kailangang i-set up ang 3D printer (katulad ng isang regular, bahay o opisina na 2D printer) para sa aktwal na pag-print – kabilang dito ang pag-configure ng laki at oryentasyon, pag-opt para sa landscape o portrait na mga print, pagpuno sa mga cartridge ng printer ng tamang pulbos . Ang 3D printer pagkatapos ay sisimulan ang proseso ng pag-print, unti-unting binubuo ang disenyo ng isang mikroskopikong layer ng materyal sa isang pagkakataon. Ang layer na ito ay karaniwang humigit-kumulang 0.1mm ang kapal ngunit maaari itong i-customize upang umangkop sa isang partikular na bagay na ini-print. Ang buong pamamaraan ay halos awtomatiko at walang pisikal na interbensyon ang kinakailangan, pana-panahon lamang na mga pagsusuri upang matiyak ang tamang paggana. Ang isang partikular na bagay ay tumatagal ng ilang oras hanggang araw upang makumpleto, depende sa laki at pagiging kumplikado ng disenyo. Dagdag pa, dahil ito ay isang 'additive' na pamamaraan, ito ay matipid, eco-friendly (na walang pag-aaksaya) at nagbibigay din ng mas malawak na saklaw para sa mga disenyo.
Ang susunod na antas: 3D Bioprinting
Bioprinting ay isang extension ng tradisyonal na 3D printing na may mga kamakailang pagsulong na nagbibigay-daan sa 3D printing na mailapat sa mga biological na living material. Habang ang 3D inkjet printing ay ginagamit na upang bumuo at gumawa ng mga advanced na medikal na device at tool, isang hakbang pa ang kailangang mabuo upang i-print, tingnan at maunawaan ang mga biological molecule. Ang mahalagang pagkakaiba ay hindi tulad ng pag-print ng inkjet, ang bioprinting ay batay sa bio-ink, na binubuo ng mga buhay na istruktura ng cell. Kaya, sa bioprinting, kapag ang isang partikular na digital na modelo ay input, ang partikular na buhay na tissue ay naka-print at binuo ng layer sa pamamagitan ng cell layer. Dahil sa napakasalimuot na mga bahagi ng cellular ng buhay na katawan, ang 3D bioprinting ay dahan-dahang umuunlad at ang mga pagkakumplikado gaya ng pagpili ng mga materyales, mga cell, mga kadahilanan, mga tisyu ay nagdudulot ng mga karagdagang hamon sa pamamaraan. Ang mga kumplikadong ito ay maaaring matugunan sa pamamagitan ng pagpapalawak ng pag-unawa sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga teknolohiya mula sa mga interdisiplinaryong larangan eg biology, physics at medisina.
Malaking pag-unlad sa bioprinting
Sa isang pag-aaral na inilathala sa Mga advanced na Kagamitan sa Paggana, ang mga mananaliksik ay nakabuo ng isang 3D bioprinting technique na gumagamit ng mga cell at molecule na karaniwang matatagpuan sa mga natural na tisyu (kanilang katutubong kapaligiran) upang lumikha ng mga konstruksyon o mga disenyo na kahawig ng 'totoong' biological na istruktura. Ang partikular na bioprinting technique na ito ay pinagsasama ang 'molecular self-assembly' sa '3D printing' upang lumikha ng mga kumplikadong biomolecular na istruktura. Ang molecular self-assembly ay isang proseso kung saan ang mga molekula ay nagpatibay ng isang tinukoy na kaayusan sa kanilang sarili upang maisagawa ang isang partikular na gawain. Isinasama ng diskarteng ito ang 'micro- at macroscopic na kontrol ng mga tampok na istruktura' na ibinibigay ng '3D printing' kasama ang 'molecular at nano-scale control' na pinagana ng 'molecular self-assembly'. Ginagamit nito ang kapangyarihan ng molecular self-assembly upang pasiglahin ang mga cell na ini-print, na kung hindi man ay isang limitasyon sa 3D printing kapag ang regular na '3D printing ink' ay hindi nagbibigay ng ganitong paraan para dito.
Ang mga mananaliksik ay 'naka-embed' ng mga istruktura sa 'bio ink' na katulad ng kanilang katutubong kapaligiran sa loob ng katawan na ginagawa ang mga istruktura na kumikilos tulad ng ginagawa nila sa katawan. Ang bio-ink na ito, na tinatawag ding self-assembling ink ay tumutulong na kontrolin o baguhin ang mga kemikal at pisikal na katangian sa panahon at pagkatapos ng pag-print, na nagbibigay-daan upang pasiglahin ang pag-uugali ng cell nang naaayon. Ang natatanging mekanismo kapag inilapat sa bioprinting nagbibigay-daan sa amin na gumawa ng mga obserbasyon sa kung paano gumagana ang mga cell na ito sa loob ng kanilang mga kapaligiran, sa gayon ay nagbibigay sa amin ng snapshot at pag-unawa sa totoong biological na senaryo. Itinataas nito ang posibilidad ng pagbuo ng mga 3D na biological na istruktura sa pamamagitan ng pag-print ng maraming uri ng biomolecules na may kakayahang mag-assemble sa mahusay na tinukoy na mga istruktura sa maraming antas.
Malaki ang pag-asa ng hinaharap!
Ginagamit na ang bioprinting research upang makabuo ng iba't ibang uri ng tissue at sa gayon ay maaaring maging napakahalaga para sa tissue engineering at regenerative na gamot upang matugunan ang pangangailangan para sa mga tissue at organ na angkop para sa paglipat - balat, buto, grafts, heart tissue atbp. Dagdag pa, ang pamamaraan nagbubukas ng malawak na hanay ng mga posibilidad na magdisenyo at lumikha ng mga biological na sitwasyon tulad ng kumplikado at partikular na mga kapaligiran ng cell upang paganahin ang kaunlaran ng tissue engineering sa pamamagitan ng aktwal na paglikha ng mga bagay o konstruksyon -sa ilalim ng digital na kontrol at may katumpakan ng molekular- na kahawig o ginagaya ang mga tisyu sa katawan. Ang buhay na tissue, buto, mga daluyan ng dugo at, potensyal at buong mga modelo ng organ ay posibleng gawin para sa mga medikal na pamamaraan, pagsasanay, pagsubok, pananaliksik at mga hakbangin sa pagtuklas ng gamot. Ang napaka-espesipikong henerasyon ng mga na-customize na construct na partikular sa pasyente ay makakatulong sa pagdidisenyo ng tumpak, naka-target at naka-personalize na mga paggamot.
Isa sa mga pinakamalaking hadlang para sa bioprinting at 3D inkjet printing sa pangkalahatan ay ang pagbuo ng isang advanced, sopistikadong software upang matugunan ang hamon sa unang hakbang ng pag-print - paglikha ng naaangkop na disenyo o blueprint. Halimbawa, ang blueprint ng mga bagay na walang buhay ay madaling malikha ngunit pagdating sa paglikha ng mga digital na modelo ng say, isang atay o puso, ito ay mahirap at hindi prangka tulad ng karamihan sa mga materyal na bagay. Ang bioprinting ay tiyak na may maraming mga pakinabang - tumpak na kontrol, repeatability at indibidwal na disenyo ngunit sinasaktan pa rin ng ilang mga hamon - ang pinakamahalaga ay ang pagsasama ng maraming uri ng cell sa isang spatial na istraktura dahil ang isang buhay na kapaligiran ay dynamic at hindi static. Ang pag-aaral na ito ay nag-ambag sa pagsulong ng 3D bioprinting at maraming mga hadlang ang maaaring alisin sa pamamagitan ng pagsunod sa kanilang mga prinsipyo. Ito ay malinaw na ang tunay na tagumpay ng bioprinting ay may ilang mga facet na nakalakip dito. Ang pinakamahalagang aspeto na maaaring magbigay ng kapangyarihan sa bioprinting ay ang pagbuo ng mga nauugnay at naaangkop na biomaterial, pagpapahusay ng resolusyon ng pag-print at pati na rin ang vascularization upang matagumpay na mailapat ang teknolohiyang ito sa klinikal na paraan. Mukhang imposibleng 'lumikha' ng ganap na gumagana at mabubuhay na mga organo para sa paglipat ng tao sa pamamagitan ng bioprinting ngunit gayunpaman, ang larangang ito ay mabilis na umuunlad at maraming mga pag-unlad ang nasa unahan ngayon sa loob lamang ng ilang taon. Dapat itong matamo upang malampasan ang karamihan sa mga hamon na kalakip ng bioprinting dahil ang mga mananaliksik at biomedical na inhinyero ay nasa landas na patungo sa matagumpay na kumplikadong bioprinting.
Ilang isyu sa Bioprinting
Ang isang kritikal na punto na itinaas sa larangan ng bioprinting ay halos imposible sa yugtong ito na subukan ang bisa at kaligtasan ng anumang biological na 'personalized' na paggamot na inaalok sa mga pasyente na gumagamit ng pamamaraang ito. Gayundin, ang mga gastos na nauugnay sa mga naturang paggamot ay isang malaking isyu lalo na kung ang pagmamanupaktura ay nababahala. Bagama't napakaposibleng bumuo ng mga functional na organo na maaaring palitan ang mga organo ng tao, ngunit kahit noon pa man, sa kasalukuyan ay walang walang kabuluhang paraan upang masuri kung ang katawan ng pasyente ay tatanggap ng bagong tissue o ang artipisyal na organ na nabuo at kung ang mga naturang transplant ay magiging matagumpay sa lahat.
Ang bioprinting ay isang lumalagong merkado at tututok sa pagbuo ng mga tisyu at organo at marahil sa loob ng ilang dekada ay makikita ang mga bagong resulta sa mga 3D na naka-print na organo ng tao at mga transplant. 3D bioprinting ay patuloy na magiging pinakamahalaga at may kaugnayang medikal na pag-unlad sa ating buhay.
***
{Maaari mong basahin ang orihinal na papel ng pananaliksik sa pamamagitan ng pag-click sa link ng DOI na ibinigay sa ibaba sa listahan ng (mga) binanggit na pinagmulan}
Pinagmulan (s)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamically Guided Hierarchical Self-Assembly of Peptide-Protein Bioinks. Mga advanced na Kagamitan sa Paggana. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
