4D-биопринтинг: Революция в тканевой инженерии с помощью живых структур, реагирующих на время

Изучите преобразующий потенциал 4D биопринтинг в тканевой инженерии. Эта инновационная технология использует чувствительные к стимулам материалы для создания динамичных, живых структур, которые адаптируются с течением времени, прокладывая путь к передовым приложениям регенеративной медицины. Узнайте о ее методах, проблемах и будущих перспективах в нашем исчерпывающем обзоре.

4D-биопринтинг: Живые структуры, реагирующие на время

Содержание книги охватывает несколько ключевых областей, связанных с 4D-биопринтингом. Книга начинается с введения, в котором дается обзор 3D- и 4D-биопечати и эволюции технологий биопечати. Далее следует раздел "4D-биопринтинг: Концепции и инновации" определяет значение этой технологии и обсуждает интеграцию времени в качестве четвертого измерения. Далее внимание переключается на стимул-реактивные материалы для 4D-биопечати, подробно описывая различные типы, такие как физические, химические и биологические стимул-реактивные материалы, включая чувствительные к температуре, магнитному полю, свету, pH и ферментам материалы, а также мультиреактивные варианты. В разделе "Технологии 4D-биопечати" описаны различные технологии, включая экструзионную, струйную, стереолитографию и лазерную биопечать. Затем следует описание применения 4D-биопечати в тканевой инженерии, в частности, в тканевой инженерии опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой инженерии, нервной инженерии, а также в области кожи и заживления ран. Затем обсуждаются проблемы и перспективы на будущее с акцентом на разработку "умных" материалов, интеграцию биологических подмостков, самособирающиеся наноматериалы, механо- и химиореактивные конструкции, а также потенциал для создания многофункциональных тканей и органов. В Заключении суммируются основные выводы и будущие последствия для регенеративной медицины, после чего следует раздел FAQ, отвечающий на распространенные вопросы о 4D-биопечати, ее механизмах, преимуществах, проблемах и будущих возможностях.

Процедуры трехмерной (3D) печати и биопринтинга позволили создавать умопомрачительные биологические конструкции, что привело к прогрессу в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Как бы то ни было, 3D-печатные ткани, по большому счету, не могут похвастаться мощной полезностью местных тканей. Четырехмерная (4D) биопечать возникла в последнее время как умная инновация, объединяющая время как последний аспект в 3D-биопечатных конструкциях. Благодаря сочетанию чувствительных к стимулам материалов и клеток, 4D-биопринтинг позволяет формировать живые планы, которые могут изменять свою форму, свойства или функциональные возможности через некоторое время под воздействием внешних стимулов. Организация встреч и совершенствование 4D-биопечати происходит за счет улучшения 3D-печать и 3D-биопечати. 3D-печать впервые была заложена в 1986 году и послужила основой для биопечати, позволив послойно изготавливать 3D-вещи. В 1990-х годах появились мысли о 3D-биопечати и тканевой инженерии, что вызвало толчки в печати клеточных конструкций. Затем были разработаны различные технологии биопечати, включая струйную биопечать, биопечать на основе экструзии, биопечать с помощью лазера и стереолитографию. Эти достижения учитывают точное расположение возможных клеток, биоматериалов и биологических атомов для создания биоинженерных тканей. Идея 4D-печати была впервые представлена в 2013 году в Массачусетском инновационном институте, включая использование мультиматериалов, готовых к мощной трансформации в течение длительного времени под воздействием стимулов. С этого момента инновации в области 4D-печати были реализованы с использованием различных чувствительных к стимулам проницательных материалов. Позднее согласование стимул-респонсивных биоматериалов и клеток в биопечати послужило толчком к развитию 4D-биопечати, позволяющей создавать динамические живые конструкции, готовые контролируемо менять свою форму, свойства или полезные свойства. Прогресс в области стимул-реактивных биоинков и систем 4D-биопринтинга открыл дополнительные возможности для применения в тканевой инженерии, имитируя уникальные качества местных тканей и органов. В этом обзоре рассматриваются различные стимул-реактивные материалы и инновации в области 4D-биопечати, применяемые в различных областях тканевой инженерии. Кроме того, рассматриваются ключевые трудности в этой области, а также перспективы на будущее.

4D-биопринтинг - это новая инновация, которая в последнее время все чаще рассматривается исследователями. Поиск информации показывает, что интерес к 4D-биопринтингу значительно вырос за последние десять лет. В 2012-2013 гг. охотничий термин "4D-биопринтинг" практически не встречался в поисковых системах по всему миру. Интерес начал расти с 2014 года, когда появились первые исследования по 4D-печати стимул-реактивных биоматериалов и гидрогелей с клеточной нагрузкой. Объем поиска последовательно увеличивался в течение последующих лет по мере того, как росло количество публикаций по этой теме. Значительный всплеск поискового интереса произошел в 2018 году, что было обусловлено появлением новых разработок, например, первых 4D-биопечатных сложных сосудистых разработок и магнитно-резонансных платформ для инженерии костной ткани. Объем поиска оставался высоким до 2020 года, демонстрируя устойчивый и поддерживаемый интерес со стороны как признанных исследователей, так и общественности. По мере того, как изучение и применение 3D-биопечати расширялось в таких областях, как тканевая инженерия и регенеративная медицина, многие осознали необходимость совершенствования 3D-конструкций с динамической полезностью. Поэтому интерес к 4D-биопринтингу, который может создавать живые конструкции, готовые через некоторое время измениться в зависимости от экологических стимулов, быстро растет. Это говорит о том, что 4D-биопринтинг является перспективным направлением развития с гигантской ответственностью за будущие клинические применения.

Материалы, реагирующие на стимулы, для 4D биопечати

Материалы, реагирующие на физические стимулы

Чувствительные к температуре материалы

Чувствительные к температуре полимеры переходят в золь-гель фазу при изменении температуры по сравнению с нижней или верхней температурой их основного состояния. Обычно в качестве термочувствительных полимеров используются поли(N-изопропилакриламид) (PNIPAAm) и его предшественники, которые становятся нерастворимыми при температуре выше 32°C. В других моделях используются полиуретаны на основе полиэстера, температура прогресса которых регулируется в зависимости от уровня внутреннего тепла. Эти материалы находят применение в 4D-биопечати благодаря своей способности поддерживать жизнеспособные клетки во время печати и вызывать изменение формы с помощью температурных стимулов после печати.

Материалы, чувствительные к магнитному полю

Конструкции, реагирующие на магнитное поле, содержат магнитные миниатюрные или наночастицы, например, ферромагнитные или парамагнитные частицы. При воздействии магнитного поля эти частицы могут вызывать нагрев посредством магнитной гипертермии, что приводит к изменению формы. Примерами магнитных наночастиц, используемых в 4D-биопечати, являются оксид железа, соединенный с материалами, например, гидроксиапатитом, желатином и поликапролактоном. Магнитные поля также могут быть использованы для дистанционного управления разрушением 4D-печатных разработок с помощью имплантированных магнитных наночастиц без прямого нагрева.

Светочувствительные материалы

Фотореактивные материалы претерпевают физические или химические изменения при воздействии на них оптических знаков. Наноматериалы на основе углерода, например, графен и углеродные нанотрубки, демонстрируют обратимую теплую деформацию под воздействием света благодаря своей ароматической точке взаимодействия. Драгоценные камни с холестерической жидкостью также реагируют на свет, изменяя свой периодический авторитетный дизайн. Фотореактивные полимеры, в состав которых входят такие соединения, как кумарин и о-нитро бензиловый эфир, под воздействием света сшиваются или разрушаются. Близкий инфракрасный свет идеально подходит для 4D-биопечати, так как не оказывает цитотоксического воздействия.

Материалы, реагирующие на химические стимулы

Чувствительные к рН материалы

pH-чувствительные полимеры содержат кислотные или эфирные практические соединения, которые принимают или отдают протоны в зависимости от колебаний pH. К обычным pH-реактивным полимерам относятся хитозан, желатин и гиалуроновая кислота. Инженерные pH-чувствительные полимеры включают поли(l-глутаминовую кислоту), поли(акриловую кислоту) и поли(метакриловую кислоту). Эти материалы набухают или разрушаются в зависимости от изменения pH, что делает их ценными для применения в производстве лекарств и транспортировке белков.

Материалы, реагирующие на биологические стимулы

Материалы, чувствительные к ферментам

Биоматериалы, реагирующие на ферменты, призваны отвечать на сверхэкспрессию определенных ферментов, связанных с повреждением тканей или состоянием болезни. Например, каркасные металлопротеиназы (MMPs) способствуют разрушению частей ECM. Поэтому чувствительные к ММП полимеры подвергаются разрушению под воздействием сверхэкспрессированных ММП для восстановления тканей. Сортаза А также является примером фермента, используемого в качестве сшивателя для 4D-биопечатных гидрогелей благодаря своим мягким гелеобразующим свойствам и клинической совместимости.

Мультирезонансные материалы

Мультиреактивные биоматериалы чувствительны к комбинациям стимулов для усиления контроля и многофункциональности. Распространенные комбинации мультистимулов включают температуру-pH, магнитное поле-температуру и pH-магнитное поле. Эти материалы обеспечивают расширенную функциональность по сравнению с системами, реагирующими на один стимул, и имеют потенциальное применение в доставке лекарств и регенеративной медицине.

Технологии 4D-биопечати

4D-биопечать на основе экструзии

Экструзионный биопринтинг обычно используется благодаря своей способности печатать широкий спектр биоматериалов с вязкостью от 10-3 до 104 Па-с. При экструзионном биопринтинге стимул-реактивные биоингредиенты выводятся через носики или иглы либо постоянно с помощью механического натяжения, либо в виде бисера. Прикладываемое напряжение не должно задумываться о разумности. Чтобы предотвратить застревание носика, можно использовать методы сшивания in-situ для закрепления материала. Примеры 4D-печатных структур помнят нити с памятью формы, которые перекрываются и разбухают, реагируя на изменения температуры. Экструзионная биопечать выгодна для печати клеточных сфероидов или совокупностей благодаря высокой плотности клеток, однако ее цель ограничена шириной носика.

Струйная 4D биопечать

Струйная 4D-биопечать наносит наполненные клетками и реагирующие на стимулы биоингредиенты в виде отдельных капель, используя тепловой, пьезоэлектрический или электростатический механизмы. Преимуществами этого метода являются низкий расход материала и высокое разрешение, но он ограничен биоинками с низкой вязкостью (<30 мПа-с). Напряжение сдвига может нарушить жизнеспособность клеток в зависимости от используемого механизма. В последних разработках применяется двухэтапное сшивание для повышения стабильности формы для 4D-поведения. Световые или температурные стимулы вызывают запрограммированное выравнивание и сворачивание клеток из напечатанных струйным способом 4D-конструкций.

Стереолитография для 4D биопечати

Стереолитография создает биопринт стимул-реактивных, наполненных клетками гидрогелей путем фотополимеризации с использованием цифрового светового шаблона. Преимуществами этого метода являются высокое разрешение (<100 мкм) и точность формы. В последних модификациях используется видимый свет, а не УФ, чтобы избежать цитотоксичности. Сложные изменения формы вызываются градиентами сшивки или многоматериальными интерфейсами. Световые стимулы могут управлять поведением клеток в напечатанных конструкциях благодаря неоднородному сшиванию и внутренним напряжениям.

4D-биопринтинг с помощью лазера

Лазерная биопечать использует лазерное движение вперед или явления пробоя под действием лазера для создания 4D-конструкций без носиков. Она может выполнять 4D-печать на вязких и многореактивных биоинках (>1 кПа-с). Недавние адаптации позволяют осуществлять многоступенчатое сшивание путем двухфотонной полимеризации в ближней инфракрасной области для создания сложных, насыщенных клетками форм. Интеграция с голографической оптикой позволяет использовать многолучевые профили для биоактивации и 4D-сборки сложных сосудистых сетей.

Применение 4D-биопечати в тканевой инженерии

Тканевая инженерия опорно-двигательного аппарата

Опорно-двигательный аппарат включает в себя кости, сухожилия, связки, сухожилия и скелетные мышцы. 4D-биопринтинг позволяет создавать модели восстановления костей и связок с учетом потребностей пациентов, используя чувствительные биоматериалы. Для создания скелетных мышц также требуются 4D-конструкции с динамическими свойствами для воспроизведения функций родной ткани. Например, термореактивные конструкции с биопринтом миобластов меняют форму в зависимости от температуры, направляя выравнивание и дифференциацию клеток с помощью механической деформации. Магнитореактивные композиты, разработанные для инженерии костной ткани, вызывают локальную гипертермию под воздействием магнитного поля, направляя дифференциацию стволовых клеток. Мультиреактивные микрошаблоны на основе графена демонстрируют управляемую светом самосборку и слияние клеток в миотрубки. Динамический дизайн биоматериалов имитирует складывание и выравнивание родной ткани, что очень важно для регенерации костно-мышечной ткани.

Сердечно-сосудистая тканевая инженерия

Для функционального восстановления сердца миокарду требуется биомимикрия динамического сократительного поведения. Последние подходы используют 4D-биопринтинг для изготовления проводящих, клеточных сердечных патчей, стимулирующих электромеханическое поведение. Светочувствительные графен-желатиновые пластыри демонстрируют складывание в ближнем инфракрасном диапазоне для воспроизведения профилей сердечной деформации, способствуя кардиогенной дифференцировке стволовых клеток. Термочувствительный полиуретан позволяет изменять форму сердечных стволовых клеток под контролем температуры, направляя морфогенез с помощью механических сигналов. Модели сосудов требуют пульсирующих сетей, воспроизводящих динамический гемодинамический поток; самосборка мультиреактивных проводящих чернил, управляемая стимуляцией, позволяет создавать перфузируемые каналы. Многомасштабная динамическая биомиметика обеспечивает биомиметическое созревание функциональных сердечно-сосудистых заменителей.

Инженерия нервных тканей

Нейроны нервной системы нуждаются в проводящих матрицах, способствующих сложным взаимодействиям. В последних стратегиях используются собранные лазером на основе графена скаффолды для проводки нервов, представляющие собой динамическую самоинтубацию, регулируемую БИК-излучением. Инкапсулированные стволовые клетки демонстрируют дифференциацию под влиянием динамического ремоделирования. В других стратегиях используются магнитно-резонансные гидрогели, направляющие удлинение нейритов под воздействием импульсных электромагнитных полей. Микросферы из хитозана, реагирующие на ионную силу, динамически самособирают сети, в которые встраиваются нейроны. Динамический дизайн биоматериалов, интегрирующий электромеханическое поведение клеток, открывает перспективы для создания функциональных нейронных интерфейсов.

Применение для заживления кожи и ран

Восстановление кожных ран требует регенерации стратифицированных клеточных структур и сосудистых сетей. В последних стратегиях используются ph-реактивные хитозановые повязки, демонстрирующие контролируемую деградацию и обеспечивающие длительную доставку регенеративных факторов. Светочувствительные желатиновые пластыри фотопластилируют кератиноциты и фибробласты в двухслойные эквиваленты кожи. Кроме того, управляемая электрическим полем сборка кератиноцитов и микрососудистых сетей создает полностью клеточные, васкуляризированные заменители кожи. Динамическое управление позволяет пространственно-временное воссоздание естественной среды для регенерации кожи, предлагая лечение кожных дефектов.

Проблемы и перспективы на будущее

Разработка интеллектуальных материалов

Современные "умные" биоматериалы реагируют преимущественно на отдельные стимулы и быстро теряют способность к трансформации в течение нескольких циклов. Разработка биоматериалов, реагирующих на физиологически значимые комбинации стимулов и обладающих надежной способностью к перестройке в течение многих циклов, остается сложной задачей. Стратегии оптимизации материалов, такие как сополимеризация, могут улучшить свойства без ущерба для биосовместимости.

Интеграция биологических подложек

Большинство существующих 4D биопечатных конструкций не могут полностью повторить состав естественного внеклеточного матрикса. Будущие работы направлены на включение децеллюляризированных или синтетических компонентов ECM для обучения поведению клеток в живых конструкциях, напечатанных в формате 4D. Сочетание биологически активных компонентов ECM с многофункциональными умными биоматериалами может способствовать самоорганизации в сложные ткани.

Самособирающиеся наноматериалы

Существующие биоматериалы лишь в малой степени поддерживают длительное выживание клеток после печати. Появляющиеся самособирающиеся нанотехнологии на основе пептидов и нуклеиновых кислот могут улучшить механику цитоскелета и сигнализацию в живых конструкциях с 4D биопечатью. Их модульная конструкция также позволяет точно настраивать свойства материала без изменения биосовместимости. В будущих работах можно исследовать интеграцию самособирающихся наноматериалов в качестве биоактивных модификаций для умных биоматериалов.

Механо- и химиореактивные конструкции

Имитация динамической механической и биохимической микросреды ткани остается сложной задачей. Будущие методики могут создавать механорезистентные конструкции, имитирующие профили деформации или затвердевания ткани, используя заменяемые инженерные части ECM. Соединение искусных биоматериалов с эндотелиальными организациями или эпитомированными поддерживающими клетками может ускорить процесс создания 4D-конструкций в сложных перфузируемых тканях.

Многофункциональные ткани и органы

В то время как субмиллиметровые 4D печать Конструкции демонстрируют гарантии, но текущая цель ограничивает создание скоординированных гетероцеллюлярных тканей и органов. Будущие работы могут использовать преимущества иерархических планов на основе материалов, направляющих самосборку тканей в уникальных биомиметических гидрогелях. Объединение 4D-биопечати тканевых сфероидов и органоидов может создать скоординированные сосудистые русла внутри исключительно функциональных живых вставок.

Заключение

4D-биопринтинг стал многообещающей творческой инновацией, которая может помочь в развитии областей тканевой инженерии и регенеративной медицины. Объединяя реагирующие на стимулы биоматериалы и живые клетки, 4D-биопринтинг позволяет создавать сложные биологические конструкции с врожденными мощными способностями. Вероятная способность контролируемо воспроизводить развивающиеся качества местных тканей открывает дополнительные возможности для демонстрации болезней и создания регенеративных методов лечения. Впечатляющие успехи были достигнуты в стратегиях и материалах для 4D-биопечати. Различные гидрогели и полимеры показали свой потенциал в качестве биологических материалов, способных изменять форму или свойства под воздействием физических, химических или биологических стимулов. В первых исследованиях 4D-биопринтинг применялся для создания постепенно трансформирующихся конструкций для применения в опорно-двигательной, сердечно-сосудистой, комплексной и кожной тканевой инженерии. Тем не менее, остаются различные трудности, прежде чем можно будет понять максимальные возможности 4D-биопечати. Пока еще требуется усовершенствовать биоинки, которые обладают высокой чувствительностью к стимуляции и в то же время способствуют высокой жизнеспособности и возможности клеток. Будущие исследования также должны быть направлены на создание мультиреактивных биоматериалов и координацию биологических элементов для создания действительно биомиметических моделей тканей. Пока ожидаются успехи в области 4D-печати и численного отображения для производства клинически применимых сконструированных органов. При дальнейшем развитии 4D-биопечать готова сыграть преобразующую роль в таких областях, как регенеративная медицина, скрининг лекарств, биосенсинг и т.д. Создавая живые конструкции, природа которых заключается в том, чтобы меняться в зависимости от текущих условий, 4D-биопринтинг расширит границы возможного в создании функциональных искусственных тканей. При дальнейшем развитии событий в один прекрасный день может стать возможным создание полностью индивидуальных органов-заменителей.

Вопросы и ответы

В: Что такое 4D-биопринтинг?

О: 4D-биопринтинг немного превосходит 3D-биопринтинг и также подразумевает создание структур, встроенных в клетки, из биоматериалов, чувствительных к стимулам. Некоторые из этих конструкций эволюционируют, изменяя форму или функцию через некоторое время под воздействием внешних факторов.

В: Как работает 4D-биопринтинг?

О: 4D-биопринтинг объединяет биоинки, состоящие из живых клеток, биоматериалов и/или блестящих материалов, которые меняют свою конструкцию при использовании усовершенствования. Биопечатные конструкции претерпевают заранее определенные конформационные изменения, такие как сворачивание, скручивание, объединение или изменение механических свойств.

В: Какие виды стимулов используются?

О: Типичные стимулы, используемые в 4D-биопечати, включают температуру, pH, магнитные поля, энергию, свет и биохимические факторы, такие как ферменты. Часто используются термореактивные полимеры и гидрогели с памятью формы.

В: Какие преимущества дает 4D-биопечать по сравнению с 3D-печатью?

О: 4D-биопринтинг позволяет конструкциям повторять уникальную идею живых тканей, проходить контролируемые первичные изменения и, возможно, развиваться дополнительными физиологическими способами. Эта способность может позволить создавать лекарства, адаптированные к развитию пациентов.

В: Какие трудности остаются для 4D-биопечати?

О: Основные трудности включают в себя усовершенствование биоинков для обеспечения их чувствительности к стимуляции без ущерба для пригодности клеток, создание мультиреактивных биоматериалов и производство клинически значимых тканей с помощью существующих биопринтеров и инноваций. Следует также обратить внимание на рекомендации по клинической интерпретации.

В: Каковы перспективы 4D-биопечати?

О: Благодаря прогрессирующему развитию 4D-биопринтинг может в один прекрасный день позволить изготавливать сложные индивидуальные органы и продвинуть такие области, как регенеративная медицина, совершенствование лекарств и биосенсинг. Продвижение материалов и взаимодействий расширит границы инженерии функциональных живых тканей.