Τι είναι η βιοεκτύπωση;

Η βιοεκτύπωση μπορεί να οριστεί ως η υποβοηθούμενη από υπολογιστή κατασκευή κυττάρων και ιστών για τη δημιουργία οργάνων. Παράγει τρισδιάστατες δομές που μοιάζουν με ιστούς εκτυπώνοντας κύτταρα και βιοϋλικά το ένα στρώμα πάνω στο άλλο.

Ως παιδί έπαιζα πολύ ανέμελα, πέφτω συνέχεια κάτω και πάντα πληγώνομαι. Η μητέρα μου με μάλωνε:"Δεν θα αποκτήσεις ποτέ νέα μέρη του σώματος, γι' αυτό να προσέχεις αυτά που έχεις!"

Λοιπόν, το αστείο είναι μαζί της, γιατί τώρα μπορώ να εκτυπώσω τρισδιάστατα μέρη του σώματός μου!

Η τρισδιάστατη εκτύπωση ξεκίνησε με αρχιτέκτονες να κατασκευάζουν μικροσκοπικά πρωτότυπα, αλλά τώρα τομείς όπως η κατασκευή, η κατασκευή και η εφοδιαστική χρησιμοποιούν την τρισδιάστατη εκτύπωση. Αυτό οδήγησε σε ένα φυσικό ερώτημα:Μπορεί αυτή η τεχνολογία να χρησιμοποιηθεί επίσης για την εκτύπωση κυττάρων, ιστών ή οργάνων;

ΝΑΙ , μπορεί και αυτό το συναρπαστικό πεδίο είναι γνωστό ως βιοεκτύπωση.

Τι είναι η 3D εκτύπωση;

Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι η διαδικασία μετατροπής τρισδιάστατων ψηφιακών αρχείων στη φυσική τους μορφή χρησιμοποιώντας "μελάνι εκτύπωσης". Πολλαπλές στρώσεις αυτού του «μελανιού», ενός τύπου υλικού εκτύπωσης, τοποθετούνται διαδοχικά το ένα πάνω στο άλλο. Η προσθήκη στρωμάτων υλικού επιτρέπει στους σχεδιαστές να δημιουργούν πολύπλοκες δομές και γεωμετρίες.

Η βιοεκτύπωση είναι μια οργανική επέκταση της τρισδιάστατης εκτύπωσης, όπου εκτυπώνονται ζωντανοί ιστοί και/ή όργανα. Τα κύτταρα τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο, με αποτέλεσμα τρισδιάστατες βιολογικές δομές. Ο επιθυμητός ιστός/όργανο σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας λογισμικό υποβοηθούμενο από υπολογιστή, μετά το οποίο εκτυπώνεται στην πραγματικότητα.

Οι τρισδιάστατοι βιοεκτυπωμένοι ιστοί είναι πολύ παρόμοιοι με τους ζωντανούς ιστούς/όργανά μας, με μικρές κυτταρικές λεπτομέρειες, όπως μικροαγγειακά δίκτυα και κυτταρικές διασταυρώσεις που συνδέουν τα κύτταρα μεταξύ τους. Ακόμη και αυτές οι μικροσκοπικές λεπτομέρειες μπορούν να βιοτυπωθούν με ακρίβεια.

Η τυπωμένη δομή στη συνέχεια υποβάλλεται σε αναδιαμόρφωση ιστού και αφήνεται να ωριμάσει σε ένα εξειδικευμένο δοχείο γνωστό ως βιοαντιδραστήρα. Μόλις ωριμάσουν, αυτά τα όργανα είναι στη συνέχεια ικανά να αντέχουν τη ροή του αίματος.

Η βιοεκτύπωση είναι η πιο καινοτόμος λύση για το πρόβλημα των ελλείψεων οργάνων και των μεταμοσχεύσεων. (Φωτογραφία:Alena Che/Shutterstock)

Πώς γίνεται η βιοεκτύπωση;

Η διαδικασία της βιοεκτύπωσης περιλαμβάνει 4 βασικά βήματα:

1. Σάρωση του ιστού που πρόκειται να εκτυπωθεί τρισδιάστατα
2. Επιλογή βιομελανιού
3. Το στάδιο της βιοεκτύπωσης
4. Εκώαση του τρισδιάστατου βιοεκτυπωμένου οργάνου

Το διάγραμμα ροής για τη διαδικασία τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης.

Οι μηχανικοί ιστών θα σαρώσουν ένα υγιές μέρος του σώματος για να δημιουργήσουν ένα ψηφιακό σχέδιο. Χρησιμοποιούνται τεχνολογίες απεικόνισης όπως η αξονική τομογραφία (αξονική τομογραφία) ή η μαγνητική τομογραφία (απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού), ανάλογα με τις πληροφορίες που απαιτούνται.

Είναι σημαντικό το όργανο να ταιριάζει πολύ με τον αποδέκτη του. Το λογισμικό με τη βοήθεια υπολογιστή χρησιμοποιείται για την ακριβή μοντελοποίηση του ιστού. Αυτό το λογισμικό δημιουργεί ένα σύνολο οδηγιών για τον τρισδιάστατο εκτυπωτή για τη δημιουργία του αντιγράφου.

Με βάση το χαρτομάντιλο που εκτυπώνεται, θα επιλεγούν τα υλικά εκτύπωσης. Όπως οι συμβατικοί εκτυπωτές χρειάζονται δοχεία μελάνης, έτσι και οι βιοεκτυπωτές χρησιμοποιούν έναν ειδικό τύπο βιομελανιού. Το Bioink περιέχει ζωντανά κύτταρα, όπως βλαστοκύτταρα, αναμεμειγμένα με μικρογέλες που παρέχουν ένα κατάλληλο περιβάλλον (νερό, οξυγόνο, θρεπτικά συστατικά) για να παραμείνουν ζωντανά τα κύτταρα.

Σκεφτείτε έναν ασθενή που έχει καεί σοβαρά και υποφέρει από έντονα εγκαύματα. Τα βλαστοκύτταρα που ονομάζονται μεσεγχυματικά κύτταρα στρώματος μπορεί να είναι το βιομελάνι που χρησιμοποιείται για την αναγέννηση του καμένου δέρματος του ασθενούς.

Μόλις σαρωθεί το προς βιοεκτύπωση αντικείμενο, δημιουργηθούν οδηγίες για τον εκτυπωτή και επιλεγεί το βιομελάνι, μπορεί να ξεκινήσει η πραγματική διαδικασία της βιοεκτύπωσης.

Με βάση τον ιστό/όργανο και το υλικό που έχει επιλεγεί, αποφασίζεται η σωστή στρατηγική βιοεκτύπωσης. Υπάρχουν τρεις προσεγγίσεις για αυτό, οι οποίες θα περιγραφούν αργότερα σε αυτό το άρθρο.

Ο βιοεκτυπωμένος ιστός/όργανο επωάζεται σε βιοαντιδραστήρα, ο οποίος διεγείρει το περιβάλλον στο οποίο ζει κανονικά ο ιστός/όργανο. Μετά το πέρας του χρόνου του στον βιοαντιδραστήρα, το όργανο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεταμόσχευση ή ερευνητική εργασία. Αυτό το βήμα εξαρτάται από την πολυπλοκότητα του ιστού/οργάνου και δεν απαιτείται πάντα.

Ένα βιοτυπωμένο αυτί και μύτη (Φωτογραφία :Adrian Mars/Shutterstock)

Προσεγγίσεις στην εκτύπωση 3D

Υπάρχουν τρεις προσεγγίσεις για τη βιοεκτύπωση:

1. Biomimicry :Σε αυτήν την προσέγγιση, το τμήμα που πρόκειται να αναπαραχθεί βιοτυπώνεται γύρω από ένα ικρίωμα. Η ιδέα εδώ είναι ότι η λειτουργία του μέρους του σώματος μπορεί να αναπαραχθεί εάν η μορφή ή η δομή είναι ίδια με την αρχική. Οι ιστοί που βιοτυπώνονται χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση απαιτούν βιοαντιδραστήρα για περαιτέρω ωρίμανση.

2. Αυτόνομη αυτοσυναρμολόγηση: Σε αυτή την προσέγγιση, λαμβάνει χώρα ανάπτυξη εμβρυϊκών οργάνων, ακολουθούμενη από αντιγραφή ιστού. Η ιδέα εδώ είναι ότι εάν υπάρχουν τα σωστά εμβρυϊκά στοιχεία, θα ακολουθήσει η φυσική ανάπτυξη, χωρίς την ανάγκη για σκαλωσιά. Τα κύτταρα και οι υποστηρικτικές δομές θα αυτο-οργανώνονται και θα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν το τελικό μέρος του σώματος. Το πρώτο βιολογικό αιμοφόρο αγγείο βιοεκτυπώθηκε χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση.

3. Μίνι χαρτομάντιλα: Αυτή η προσέγγιση είναι ένας συνδυασμός των άλλων δύο. Αυτοί οι "μίνι ιστοί" είναι οι δομικές και λειτουργικές μονάδες ενός ιστού και τέτοιοι μικροί ιστοί προστίθενται στο βιομελάνι και εκτυπώνονται.

Οι μίνι ιστοί έχουν οπουδήποτε μεταξύ 500 και 10.000 κυττάρων που καλλιεργούνται κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες που τους επιτρέπουν να ζουν και να προσκολλώνται το ένα στο άλλο. Αυτά τα καλλιεργημένα κύτταρα αποτελούν το βιομελάνι.

Πολλά στρώματα των μίνι ιστών βιοτυπώνονται μαζί, μετά από τα οποία αυτοσυναρμολογούνται στο όργανο-στόχο.

Τρεις τεχνικές βιοεκτύπωσης

1. Βιοεκτύπωση inkjet
2. Εκτύπωση λέιζερ
3. Μικροεξώθηση

Τρεις διαφορετικοί βιοεκτυπωτές και η μέθοδος εκτύπωσης τους.

Οι βιοεκτυπωτές Inkjet είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος εκτυπωτών. Λειτουργούν με τρόπο πολύ παρόμοιο με τους συμβατικούς μας εκτυπωτές inkjet 2D, όπου οι επιθυμητοί όγκοι βιομελανιού αποβάλλονται σε προκαθορισμένα σημεία ενός υποστρώματος.

Οι βιοεκτυπωτές Inkjet χρησιμοποιούν συνήθως θερμότητα (200-300°C) για να παράγουν εκρήξεις πίεσης που σπρώχνουν το βιομελάνι έξω από το ακροφύσιο του εκτυπωτή με τη μορφή σταγονιδίων. Ένας άλλος τύπος βιοεκτυπωτή inkjet δημιουργεί παλμούς χρησιμοποιώντας πιεζοηλεκτρική πίεση.

Ορισμένα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία, όπως κρύσταλλοι ή κεραμικά, συμπιέζονται και λυγίζουν όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό φορτίο σε αυτά, συμπιέζοντας έτσι ακριβείς ποσότητες βιομελανιού στο υπόστρωμα υποδοχής.

Οι τρισδιάστατοι βιοεκτυπωτές μικροεξώθησης εκτυπώνουν βιολογικά υλικά με τη μορφή μικροσκοπικών σφαιριδίων που ισοπεδώνονται σε μια επιφάνεια λόγω υψηλής πίεσης. Με αυτόν τον τρόπο, εκτυπώνει διαδοχικά στρώματα σφαιριδίων, με κάθε στρώμα να λειτουργεί ως βάση για το επόμενο, μέχρι να δημιουργηθεί τελικά μια τρισδιάστατη δομή.

Ένας εκτυπωτής λέιζερ χρησιμοποιεί μια μεταλλική κορδέλα επικαλυμμένη με βιολογικά υλικά, όπως κύτταρα, λέιζερ και υπόστρωμα λήψης, και είναι συνήθως γυαλί καλυμμένο με υλικό που απορροφά λέιζερ.

Το λέιζερ εξατμίζει τα βιολογικά υλικά στη μεταλλική ταινία, τα οποία στη συνέχεια ρέουν σε μορφή σταγονιδίων στο υπόστρωμα υποδοχής. Αυτό το υπόστρωμα υποδοχής υποστηρίζει τα κύτταρα και τους επιτρέπει να αναπτυχθούν.

Τα ακαδημαϊκά ιδρύματα προτιμούν βιοεκτυπωτές που χρησιμοποιούν μικροεξώθηση, καθώς αυτοί οι εκτυπωτές είναι οι πιο οικονομικοί (Photo Credit :Crevis/Shutterstock)

Ανατρέξτε στα άρθρα εδώ και εδώ εάν ενδιαφέρεστε να μάθετε περισσότερα για τους διαφορετικούς τύπους βιοεκτύπωσης και τα πλεονεκτήματα της χρήσης καθενός από τους προαναφερθέντες βιοεκτυπωτές.

Συμπέρασμα

Η βιοεκτύπωση έχει φέρει επανάσταση στον τομέα της υγείας. Τα δείγματα κυττάρων ενός ασθενούς μπορούν τώρα να καλλιεργηθούν για να δημιουργηθεί εξατομικευμένη βιομελάνη που μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την τρισδιάστατη εκτύπωση ιστών και οργάνων. Δεδομένου ότι αυτά τα κύτταρα λαμβάνονται από τον ασθενή που λαμβάνει το όργανο, οι πιθανότητες απόρριψης μοσχεύματος οργάνου είναι πολύ μικρές.

Τα βιοεκτυπωμένα όργανα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για σκοπούς δοκιμής φαρμάκων, μειώνοντας έτσι τη χρήση δοκιμών σε ζώα.

Η βιοεκτύπωση είναι μια οικονομική, ακριβής και σχετικά εύκολη μέθοδος κατασκευής ιστών/οργάνων που επιλύει αποτελεσματικά το πρόβλημα των ελλείψεων οργάνων του δότη και της απόρριψης του δότη με μια πτώση.

Τομείς για βελτίωση αυτής της τεχνολογίας είναι η σκοπιμότητα, η ταχύτητα, η προσβασιμότητα, η τοξικότητα και η βιοσυμβατότητα της διαδικασίας, αλλά το μέλλον φαίνεται λαμπρό!