Біодрук: що це таке і як застосовується в медицині

Зміст

• Як працює біодрук
• Біодрук на чіпі
• Біодрук та кісткові трансплантати
• Біодрук та регенеративна шкіра та тканини
• Біодрук кровоносних судин

Біодрук (також відомий як 3D біодрук) - це поєднання 3D-друку з біоматеріалами для відтворення частин, що імітують природні тканини, кістки та судини тіла. В основному він використовується у зв’язку з дослідженнями наркотиків і зовсім недавно як клітинні помости для відновлення пошкоджених зв’язок і суглобів. Біодрук застосовується в медицині приблизно з 2007 року і застосовується для вивчення або відтворення майже кожної тканини, хряща та органу в організмі.

Як працює біодрук

Тривимірний принтер здатний забезпечити глибину будь-чого, що друкується, а біопринтер робить це, розподіляючи біоматеріали, такі як живі клітини, синтетичний клей та колагенові ліси шарами, щоб створити об’єкт. Цей процес називається адитивним виробництвом - матеріали, що подаються в принтер, затвердівають, коли вони виходять для створення 3D-об’єкта.

Але це не так просто, як розміщення матеріалів у 3D-принтері та натискання кнопки. Для того, щоб дістатися до стадії виробництва добавок, принтер повинен отримати проект - комп’ютерне зображення того, що він намагається створити. Потім матеріали, які ви хочете використовувати для об’єкта, що надходять у принтер. Принтер зчитує наданий вами цифровий файл, друкуючи надані ним матеріали шарами, щоб відтворити потрібний об'єкт. Кожен шар буде охолоджуватися і прилипати один до одного (завдяки колагену, клею, а в деяких випадках і просто самим клітинам), створюючи один твердий, стійкий шматок.

Для того, щоб живі клітини (зазвичай їх називають bioink) подавались у біопринтер, існує низка шляхів, якими можуть пройти дослідники. По-перше, їх можна взяти безпосередньо у пацієнта, для кого він проводить біодрук. Або, якщо вони використовуються для дослідницьких цілей або у випадках, коли вони не можуть використовувати власні клітини пацієнта, можна використовувати дорослі стовбурові клітини, оскільки ними можна маніпулювати відповідно до типу клітин, необхідних для біодруку для відтворення тканини.

План, який використовує біопринтер, часто є скануванням пацієнта. Це дозволяє біопринтеру відтворити тканину, посилаючись на сканування та використовуючи тонкі точні шари для нарощування або друку тканини.

Біодрук на чіпі

Одним із способів використання 3D-друку в даний час в наукових та медичних спільнотах є тестування регенеративної медицини. В Інституті Вісса в Гарварді дослідники розробили 3D-біопринтер, який може виробляти васкуляризовані тканини живих клітин людини, які друкуються на чіпі. Вони використовують цю тканину на чіпі, щоб з’єднати її з судинним каналом, що дозволяє дослідникам давати тканині поживні речовини для моніторингу росту та розвитку.

Здатність вирощувати тканини на чіпі допомагає дослідникам вивчити нові методи регенеративної медицини, а також тестування на наркотики. За допомогою 3D-біопринтера дослідники також можуть вивчити різні методи створення чіпів. Одним досягненням було створення серця на мікросхемі із сенсорами для досліджень та збору даних. Це могло вимагати попередніх випробувань на тваринах або інших заходів.

Біодрук та кісткові трансплантати

Що стосується практики медицини, то ще багато чого можна вивчити та перевірити, створюючи біодруковані органи, які масштабуються до розміру людини. Але робляться значні кроки, наприклад, в області трансплантації кісток, щоб усунути проблеми з кістками та суглобами, що їх оточують.

Найпомітніший прогрес досягли дослідники Університету Суонсі в Уельсі. Біопринтери команди можуть створювати штучні кісткові матеріали в конкретних формах, необхідних за допомогою регенеративного та міцного матеріалу. Дослідники з Наукового фонду AMBER в Ірландії та Трініті-коледжу в Дубліні, Ірландія, створили процес підтримки 3D-біопринта з кісткового матеріалу для допомоги при дефектах, викликаних резекціями пухлин, травмами та інфекціями, а також генетичними деформаціями кісток.

Університет Ноттінгема в Англії також досяг успіху в цій галузі медицини, біодрукуючи копію кістки, яку вони замінюють, і покривши її стовбуровими клітинами. Риштування розміщується всередині корпусу. З часом за допомогою стовбурових клітин вона повністю замінюється новою кісткою.

Біодрук та регенеративна шкіра та тканини

Шкіра є успішним напрямком медицини для біодруку завдяки здатності машини наносити шар під час друку. Оскільки шкіра є багатошаровим органом, що складається з різних клітин у кожному шарі, дослідники сподіваються, що з часом біодрук може допомогти у відтворенні шарів шкіри, таких як дерма та епідерміс.

Дослідники Медичної школи Вейк-Форест у Північній Кароліні придивляються до цього, коли йдеться про опіки, у яких недостатньо пошкодженої шкіри для збирання врожаю, щоб допомогти у догляді за ранами та їх загоєнні. У цьому випадку біопринтер отримує інформацію про рану пацієнта зі сканера (включаючи необхідну глибину та типи клітин), щоб допомогти створити нову шкіру, яка потім може бути використана для пацієнта.

У Пенсильванському державному університеті дослідники працюють над 3D-біопринтом, який може створити хрящ, щоб допомогти відновити тканини в колінах та інших областях, які часто зношуються внаслідок зношування тіла, а також шкіри та інших тканин нервової системи, необхідних для здоров'я органів. .

Біодрук кровоносних судин

Можливість відтворити судини за допомогою біопринтера корисна не тільки можливістю пересадити їх безпосередньо пацієнту, але також для тестування на наркотики та персоналізованої медицини. Дослідники з Бригама та Жіночої лікарні досягли успіху в цій галузі медицини, надрукувавши агарозні волокна, які служать кровоносними судинами. Дослідники виявили, що ці біодруковані кровоносні судини досить міцні, щоб рухатися та утворювати більші мережі, а не розчинятися навколо існуючої структури.

Слово з дуже добре

Дослідження, пов’язані з біодруком, є захоплюючими, і хоча спостерігається значний прогрес у знаннях та здобутках завдяки здатності біодрукувати кістки, шкіру, судини, хрящі та навіть органи, ще набагато більше можна досягти перед багатьма з цих практик адаптовані до медицини.

Деякі можуть бути готові раніше, ніж інші. У випадку з біодруком та дослідником шкіри сподіваємось, що ця наука буде готова протягом п’яти років для солдатів, які зазнають значних опіків у бою. Інші сфери біодруку, такі як відтворення органів для використання людиною, все ще мають шлях у розвитку.

Коли йдеться про імітацію процесів організму та спостереження взаємодії певних препаратів у більшій системі організму, біодрук відкрив двері для збору даних, а також неінвазивних способів побачити, як людський організм взаємодіє з певними речовинами, що може призвести до більш персоналізовані ліки від побічних ефектів у пацієнта та менше.