3D bioprint

Different models of 3D printing tissue and organs.

Uch o'lchovli (3D) bioprinting - ko'pincha tabiiy to'qimalarning xususiyatlarini taqlid qilish maqsadida biotibbiy qismlarni ishlab chiqarish uchun hujayralarni, o'sish omillarini va/yoki biomateriallarni birlashtirish uchun 3D bosib chiqarishga o'xshash usullardan foydalanish. Umuman olganda, 3D bioprinting bio-siyoh deb nomlanuvchi materiallarni to‘ldirish uchun qatlam-qatlam usulidan foydalanib, keyinchalik turli tibbiyot va to‘qima muhandisligi sohalarida qo‘llaniladigan to‘qimalarga o‘xshash tuzilmalarni yaratishi mumkin. 3D bioprinting bioprinting texnikasi va biomateriallarning keng doirasini qamrab oladi. Hozirda bioprinting yordamida dori va potentsial muolajalarni tadqiq qilishda to‘qima va organ modellarini chop etish mumkin. Shunga qaramay, bioprinted tirik hujayra konstruksiyalarini klinik qo'llashga tarjima qilish funktsional organlarni yaratish uchun zarur bo'lgan murakkablik va hujayralar soni tufayli bir qancha muammolarga duch keladi. Biroq, innovatsiyalar hujayradan tashqari matritsaning bioprintsiyasidan tortib, kerakli to'qimalarni hosil qilish uchun qatlam bo'ylab yotqizilgan gidrogellar bilan hujayralarni aralashtirishgacha davom etadi. Bundan tashqari, 3D bioprinting iskalalarni bosib chiqarishni o'z ichiga boshladi. Bu iskalalardan bo'g'inlar va ligamentlarni qayta tiklash uchun foydalanish mumkin.

Jarayon

Bioprinting of 3D Convoluted Renal Proximal Tubules on Perfusable Chips

3-D bioprinting odatda uchta bosqichdan iborat: bioprintingdan oldingi, bioprinting va post-bioprinting.

Bioprintingga tayyorgarlik

Oldindan bioprinting bu printer keyinchalik yaratadigan modelni yaratish va foydalaniladigan materiallarni tanlash jarayonidir. Birinchi qadamlardan biri organning biopsiyasini olishdir. Bioprinting uchun ishlatiladigan umumiy texnologiyalar kompyuter tomografiyasi (KT) va magnit-rezonans tomografiya (MRI). Qatlam-qatlam yondashuvi bilan chop etish uchun tasvirlarda tomografik rekonstruksiya amalga oshiriladi. Endi 2D tasvirlar keyinchalik tayyorlanish uchun printerga yuboriladi. Tasvir yaratilgandan so'ng, ma'lum hujayralar ajratiladi va ko'paytiriladi.[7] Keyin bu hujayralar kislorod va boshqa oziq moddalar bilan ta'minlaydigan maxsus suyultirilgan material bilan aralashtiriladi. Ba'zi jarayonlarda hujayralar diametri 500 mkm bo'lgan hujayrali sferoidlar bilan qoplangan. Hujayralarning bunday yig'indisi iskala talab qilmaydi va ekstruziya kabi jarayonlar uchun quvur shaklidagi to'qimalarning sinteziga joylashtirish uchun talab qilinadi.[9]: 165

Bioprintlash

Ikkinchi bosqichda bioinks deb nomlanuvchi hujayralar, matritsalar va ozuqa moddalarining suyuq aralashmasi printer kartrijiga joylashtiriladi va bemorlarning tibbiy skanerlari yordamida biriktiriladi.[10] Bioprinted oldingi to'qima inkubatorga o'tkazilganda, bu hujayraga asoslangan oldingi to'qima to'qimaga aylanadi.

Biologik konstruksiyalarni ishlab chiqarish uchun 3D bioprinting odatda to‘qimalarga o‘xshash uch o‘lchamli tuzilmalarni yaratish uchun ketma-ket qatlam-qatlam yondashuvidan foydalangan holda hujayralarni biomos keluvchi iskala ustiga tarqatishni o‘z ichiga oladi.[11] 3D bioprinting yordamida yaratilgan jigar va buyraklar kabi sunʼiy organlarda qon tomirlari, siydik toʻplash uchun naychalar va bu organlar uchun zarur boʻlgan milliardlab hujayralar oʻsishi kabi tanaga taʼsir qiluvchi muhim elementlar yoʻqligi koʻrsatilgan. Ushbu komponentlarsiz tananing asosiy oziq moddalari va kislorodni ichki qismiga chuqurroq olish imkoni yo'q.[11] Tanadagi har bir to'qima tabiiy ravishda turli xil hujayra turlaridan iborat ekanligini hisobga olsak, bu hujayralarni bosib chiqarish uchun ko'plab texnologiyalar ishlab chiqarish jarayonida hujayralarning barqarorligi va hayotiyligini ta'minlash qobiliyatiga qarab farqlanadi. Hujayralarni 3D bioprinting uchun ishlatiladigan ba'zi usullar fotolitografiya, magnitli 3D bioprinting, stereolitografiya va to'g'ridan-to'g'ri hujayra ekstruziyasi.[

Bioprintlashdan keyin

Ikkinchi bosqichda bioinks deb nomlanuvchi hujayralar, matritsalar va ozuqa moddalarining suyuq aralashmasi printer kartrijiga joylashtiriladi va bemorlarning tibbiy skanerlari yordamida biriktiriladi.[10] Bioprinted oldingi to'qima inkubatorga o'tkazilganda, bu hujayraga asoslangan oldingi to'qima to'qimaga aylanadi.

Biologik konstruksiyalarni ishlab chiqarish uchun 3D bioprinting odatda to‘qimalarga o‘xshash uch o‘lchamli tuzilmalarni yaratish uchun ketma-ket qatlam-qatlam yondashuvidan foydalangan holda hujayralarni biomos keluvchi iskala ustiga tarqatishni o‘z ichiga oladi. 3D bioprinting yordamida yaratilgan jigar va buyraklar kabi sunʼiy organlarda qon tomirlari, siydik toʻplash uchun naychalar va bu organlar uchun zarur boʻlgan milliardlab hujayralar oʻsishi kabi tanaga taʼsir qiluvchi muhim elementlar yoʻqligi koʻrsatilgan. Ushbu komponentlarsiz tananing asosiy oziq moddalari va kislorodni ichki qismiga chuqurroq olish imkoni yo'q. Tanadagi har bir to'qima tabiiy ravishda turli xil hujayra turlaridan iborat ekanligini hisobga olsak, bu hujayralarni bosib chiqarishning ko'plab texnologiyalari biologik materialdan barqaror strukturani yaratish uchun bioprintingdan keyingi jarayon davomida hujayralarning barqarorligi va hayotiyligini ta'minlash qobiliyatiga ko'ra farqlanadi. . Agar bu jarayon yaxshi saqlanmasa, 3D bosilgan ob'ektning mexanik yaxlitligi va funksiyasi xavf ostida.[7] Ob'ektni ushlab turish uchun ham mexanik, ham kimyoviy stimulyatsiya kerak. Ushbu stimulyatsiyalar to'qimalarning qayta tuzilishi va o'sishini nazorat qilish uchun hujayralarga signallarni yuboradi. Bundan tashqari, so'nggi ishlanmalarda bioreaktor texnologiyalari to'qimalarning tez pishishiga, to'qimalarning tomirlanishiga va transplantatsiyadan omon qolish qobiliyatiga imkon berdi.[8]

Bioreaktorlar ozuqa moddalarini konvektiv tashishda, mikrogravitatsiya muhitini yaratishda, eritmaning hujayralar bo'ylab oqib ketishiga olib keladigan bosimni o'zgartirishda yoki dinamik yoki statik yuklash uchun siqishni qo'shishda ishlaydi. Har bir turdagi bioreaktorlar har xil turdagi to'qimalar uchun idealdir, masalan, siqish bioreaktorlari xaftaga to'qimalari uchun idealdir. Hujayralarni 3D bioprinting uchun ishlatiladigan ba'zi usullar fotolitografiya, magnitli 3D bioprinting, stereolitografiya va to'g'ridan-to'g'ri hujayra ekstruziyas

Bioprintlash yondashuvi

Ushbu sohadagi tadqiqotchilar tegishli biologik va mexanik xususiyatlarga ega bo'lgan tirik organlarni ishlab chiqarish uchun yondashuvlarni ishlab chiqdilar. 3D bioprinting uchta asosiy yondashuvga asoslanadi: biomimikriya, avtonom o'z-o'zini yig'ish va mini-to'qimalarni qurish bloklari.

Biomimikriya

Bioprintingning birinchi yondashuvi biomimikriya deb ataladi. Ushbu yondashuvning asosiy maqsadi inson tanasidagi to'qimalar va organlarda mavjud bo'lgan tabiiy tuzilishga o'xshash uydirma tuzilmalarni yaratishdir. Biomimikriya organlar va to'qimalarning shakli, ramkasi va mikro muhitini takrorlashni talab qiladi.[14] Bioprintingda biomimikriyani qo'llash organlarning bir xil hujayrali va hujayradan tashqari qismlarini yaratishni o'z ichiga oladi. Ushbu yondashuv muvaffaqiyatli bo'lishi uchun to'qimalarni mikro miqyosda takrorlash kerak. Shuning uchun mikro muhitni, bu mikromuhitdagi biologik kuchlarning tabiatini, funktsional va yordamchi hujayra turlarining aniq tashkil etilishini, eruvchanlik omillarini va hujayradan tashqari matritsaning tarkibini tushunish kerak.

Avtonom o'z-o'zini yig'ish

Bioprintingning ikkinchi yondashuvi - avtonom o'zini o'zi yig'ish. Bu yondashuv embrion organ rivojlanishining fizik jarayoniga tayanadi. Hujayralar erta rivojlanish bosqichida bo'lganida, ular o'zlarining hujayradan tashqari matritsa qurilish bloklarini, tegishli hujayra signalizatsiyasini va kerakli biologik funktsiyalar va mikro-arxitekturani ta'minlash uchun mustaqil tartibga solish va naqshlarni yaratadilar.[13] Avtonom o'z-o'zini yig'ish embrionning to'qimalari va organlarining rivojlanish texnikasi haqida aniq ma'lumotni talab qiladi.[14] "Iskalasiz" model mavjud bo'lib, u o'z-o'zidan yig'iladigan sferoidlardan foydalanadi, ular termoyadroviyga va hujayra tuzilishiga, rivojlanayotgan to'qimalarga o'xshaydi. Avtonom o'z-o'zini yig'ish hujayraga gistogenezning asosiy drayveri sifatida bog'liq bo'lib, bu to'qimalarning qurilish bloklarini, strukturaviy va funktsional xususiyatlarini boshqaradi. Bu embrion to'qimalarining mexanizmlari qanday rivojlanishini, shuningdek bioprinted to'qimalarni yaratish uchun o'rab olingan mikro muhitni chuqurroq tushunishni talab qiladi.[13]