Достижения в области 3D-биопечати: Революция в здравоохранении и трансплантации органов

Узнайте, как 3D-биопринтинг изменяет здравоохранение: от создания моделей тканей для тестирования лекарств до будущего трансплантации органов. Узнайте о передовых методах, проблемах и прорывах в регенеративной медицине

Достижения в области биопечати: Как 3D-печать изменяет здравоохранение

3D-биопринтинг - это инновационная технология производства, которая таит в себе беспрецедентные возможности в сфере медицинских прорывов. Благодаря тому, что живые клетки смешиваются с биоматериалами и медленно добавляются слоями, исследователи могут роль 3D-печати функциональных живых тканей и органоподобных структур. Регенеративная медицина находится на стадии развития, но обладает потенциалом для обеспечения инновационных решений растущего спроса на трансплантацию органов путем производства тканей и органов. Более того, ожидается, что постоянное совершенствование биоматериалов, источников клеток и многотканевых сложных структур изменит регенеративную медицину в будущем.

В этой статье рассматриваются последние достижения в области применения 3D-биопечати и их более широкие последствия. Ткани и органы, изготовленные в лаборатории, могут обеспечить более безопасное тестирование лекарств и моделирование заболеваний, что найдет применение в исследованиях рака и редких генетических заболеваний. В конечном итоге, биопечатные цельные органы могут уменьшить очереди на трансплантацию. Однако остаются значительные технологические проблемы, начиная от васкуляризации и заканчивая сложностью органов и материалов. Обсуждая успехи, ограничения и будущие направления, эта статья демонстрирует потенциал биопечати в изменении системы здравоохранения и одновременно указывает на предстоящие требования.

Техники 3D-биопечати

Струйная биопечать

Мы используем струйную биопечать, нанося капли клеточного биочернила с помощью тепловых или пьезоэлектрических приводов, которые выталкивают капли с помощью нагрева или давления. Однако ограничение состоит в том, что рабочее давление ограничивает максимальную плотность клеток до уровня менее 106 клеток/мл из-за опасений, связанных с повреждением клеток при выталкивании.

Экструзионная биопечать

Экструзионный 3D-биопринтинг использует непрерывный подход к дозированию биочернил с помощью сопел для осаждения, что позволяет добиться высокой плотности клеток, превышающей 107 клеток/мл. Полутвердые биологические чернила выдавливаются через тонкие сопла с прецизионным управлением с помощью пневматического или механического привода. Экструзия позволяет достичь более высокой плотности клеток при сохранении их жизнеспособности по сравнению со струйными методами.

Лазерная биопечать

Лазерная биопечать (LaB) использует лазерные импульсы для перемещения донорского материала к принимающей подложке. В технологии LaB лазер выборочно расплавляет донорскую подложку, покрытую биочернилами, и выбрасывает ее лизированный участок для создания рисунка клеток с точностью до пиколитра. 3D-печать в прототипировании Достижимо разрешение менее 10 микрон. LaB демонстрирует самое высокое разрешение и точность печати среди методов 3D-биопечати.

Цифровая обработка света

Еще одна техника - цифровая обработка света (DLP), которую исследователи адаптировали для изготовления. При фотополимеризации DLP видимый свет от цифрового проектора или зеркального устройства используется для выборочного послойного отверждения жидких фотореактивных биореактивов в желаемые 2D или 3D структуры. Исследователи разработали смолы, подходящие для DLP-биопринтинга, которые сохраняют высокую жизнеспособность клеток после отверждения.

Выбор техники биопечати

В целом, экструзия и LaB демонстрируют наибольшую жизнеспособность для создания инженерных тканей, хотя выбор в значительной степени зависит от конкретных требований, таких как свободное пространство, точность печати или производительность. Комбинирование подходов к печати может позволить использовать преимущества каждого из них и одновременно смягчить ограничения, а также оптимизировать дизайн и свойства конструкций для конкретных целей. Хотя ни один из этих методов не подходит для всех целей, они представляют собой основные технологии 3D-биопечати, применяемые для изготовления тканей.

Материалы и источники клеток

Материалы для биочернил

Биоинки должны доставлять клетки, питательные вещества и сигнальные факторы, а также выдерживать нагрузки во время осаждения и созревания. К распространенным материалам относятся альгинат, желатин, коллаген, фибрин, MatrigelTM, гиалуроновая кислота и синтетические полимеры.

Свойства материала

Биоматериалы естественного происхождения обеспечивают клеточные подсказки, но имеют ограниченные возможности для печати. Синтетические полимеры обеспечивают улучшенную Руководство по материалам для 3D-печати но при этом не обладающие родными свойствами. Гибридные биоинки сочетают в себе несколько биоматериалов, чтобы использовать синергетический эффект.

Источники клеток

Биопечать также требует соответствия типов и источников клеток, таких как мезенхимальные стволовые клетки, хондроциты, остеобласты и кератиноциты. Плотность, жизнеспособность и однородность клеток влияют на качество печати.

Источники стволовых клеток

Аллогенные и аутологичные источники предлагают жизнеспособную альтернативу бессмертным клеточным линиям с непредсказуемой реакцией in vivo. Пуповина, жировая ткань и костный мозг становятся прагматичными источниками стволовых клеток для взрослых.

Возможности и ограничения

Сильные стороны методов 3D-биопечати

Экструзионная биопечать показала свою перспективность в послойном нанесении полутвердых биологических материалов, содержащих живые клетки или клеточные сфероиды. Непрерывное осаждение биочернил позволяет достичь плотности, превышающей 107 клеток/мл, что делает его хорошо подходящим для изготовления более плотных тканевых конструкций. Лазерная биопечать (LaB) обеспечивает исключительное разрешение до десяти микрон, позволяя создавать сложные многоклеточные модели с точным контролем над размещением клеток. Цифровая обработка света аналогичным образом отверждает биопринтеры с микроскопическим разрешением, способствуя созданию сложных клеточных архитектур.

Хотя струйная биопечать позволяет получать капли, наполненные клетками, с высокой производительностью, рабочее давление ограничивает максимальную плотность клеток до менее чем 106 клеток/мл. Это ставит под сомнение возможность создания плотности клеток, необходимой для клинически значимых моделей тканей. Несмотря на это ограничение, струйный биопринтинг имеет такие преимущества, как экономичность и широкая совместимость с материалами.

Ограничения

Для всех методик ключевым ограничением остаются проблемы с созреванием, поскольку 3D-печать инструментов и приспособлений Конструкции изначально значительно отличаются от микросреды родной ткани в условиях in vitro. Это создает риск ишемии, ограничивающей размер из-за недостатка перфузии. Механические свойства редко повторяют нативные ткани, а биоинки часто сохраняют незрелые характеристики после печати.

Васкуляризация до клинически значимых масштабов органов остается сложной из-за трудностей в воспроизведении нативных микрососудистых сетей. Ограниченные источники, отвечающие требованиям 3D-биопечати, также создают ограничения. Нормативная база и стандартизированные показатели для оценки биопечатных конструкций все еще находятся на стадии разработки. Ограничения в технических возможностях сохраняются, и полное изготовление органов находится за пределами возможностей большинства современных принтеров.

Сложность родных структур

Эффективное воспроизведение сложной и иерархической структуры живых тканей представляет собой сложную техническую задачу. Динамичное и многогранное взаимодействие между несколькими типами клеток на миллиметровых и микрометровых масштабах усложняет имитацию родной архитектуры. Ограничения по материалу еще больше затрудняют получение физиологических механических и деградационных свойств.

Долгосрочная оценка производительности

Тщательная оценка долгосрочной биосовместимости, иммуногенности, васкуляризации и функциональности очень важна, но сложна из-за того, что речь идет о живых конструкциях. Предсказательная токсикология и долгосрочная клиническая трансляция представляют собой постоянные исследовательские потребности.

Цели исследования

Всеобъемлющие цели исследований в области 3D-биопечати совпадают с фундаментальными задачами регенеративной медицины, направленными на восстановление нормальной функции или усиление оставшихся функций травмированных или больных тканей и целых органов. Основное внимание уделяется обеспечению надежной васкуляризации in situ и созреванию тканей после биопечати для достижения нативной функциональности и физиологических свойств.

Ключевая цель - выйти за рамки печати простых двумерных клеточных культур и создать настоящие трехмерные органотипические ткани, которые будут лучше имитировать структурный и биохимический состав естественных органов. Для этого необходимо контролировать разнообразную клеточную среду на микромасштабном уровне, как это происходит в естественных тканях. Исследователи стремятся создать базовые многоклеточные конструкции, чтобы воспроизвести сложную архитектуру целых функциональных органов.

Стволовые клетки и тканеспецифичные сигналы дифференцировки требуют дальнейшего выяснения для целенаправленного развития фенотипических клеточных линий. Совершенствование технологий 3D-биопечати и биоинков для создания высокогетерогенных многоклеточных конструкций с точной клеточной организацией в больших объемах, подходящих для клинических нужд, имеет решающее значение.

Преодоление трудностей Применение 3D-печати плотных, васкуляризированных конструкций в клинически значимых масштабах остается насущной задачей. Изготовление имплантируемых конструкций, демонстрирующих соответствующие механические свойства и адекватную сосудистую сеть после имплантации, имеет первостепенное значение.

Показатели качества и стандартизированные оценки в течение длительного времени in vitro и in vivo являются критически важными, но в настоящее время не имеют эталонов. Решение нормативных проблем, связанных с четко определенными протоколами безопасности и эффективности для клинического применения, также требует внимания. В конечном счете, достижение сложности и функций родных органов для создания заменителей трансплантатов остается венцом амбиций в этой области.

Значимые приложения

Вот некоторые области применения 3D-биопечати:

Тестирование и разработка лекарств

3D биопечатные модели тканей могут помочь в тестировании лекарств, сокращая расходы и обеспечивая большую биологическую релевантность, чем клеточные монослои. Фармацевтические компании могут использовать эти фрагменты для лучшего понимания воздействия лекарств на клетки человека и прогнозирования результатов.

Протезы и имплантаты

3D-печать позволяет создавать индивидуальные протезы, зубные протезы, черепные и ортопедические имплантаты, точно подходящие пациентам. Вычислительное проектирование позволяет создавать сложные настраиваемые конструкции по более низкой цене, чем традиционные процессы.

Реплики тканей

Врачи могут изучать копии сложных органов с учетом особенностей пациента, помогая планировать хирургические операции или обучать пациентов. Хирурги репетируют сложные операции перед тем, как войти в операционную.

Персонализированная доставка лекарств

Лекарства могут быть изготовлены методом 3D-биопечати в индивидуальных дозировках, с таймером и несколькими препаратами. Сложные конструкции позволяют получать профили высвобождения, соответствующие индивидуальным потребностям, лучше, чем стандартные таблетки.

Образование и планирование

Реалистичные копии улучшают медицинское образование, демонстрируя развитие болезни или ее вариации. В школах моделируют физиологические эффекты болезней с помощью Стартапы в области 3D-печати Модели органов.

Хирургическое моделирование

Прототипирование сложных инструментов для каждого хирурга способствует предоперационной практике. Модели обеспечивают безрисковую репетицию операции с выявлением осложнений. Инструменты снижают утомляемость и повышают точность.

Регенеративные ткани и органы

3D- и 4D-биопринтинг продвигается от созданных тканей к целым органам, которые можно пересаживать, по мере того, как сложность лесов и многоклеточные структуры становятся все более похожими на природные.

Проблемы и будущее

Здесь мы обсудим все проблемы и будущие аспекты 3D-биопечати:

Текущие технические ограничения

Остаются значительные трудности в создании пригодных для использования тканей в клинически значимых масштабах, превышающих несколько миллиметров. Организация высвобождения множества факторов роста, точно регулирующих поведение клеток, требует решения таких проблем, как созревание 3D-печатные инновации Конструкции изначально сильно отличаются от микросреды родной ткани.

Масштабирование сложных структур

Продвижение за пределы базовых конструкций к целым органам, имитирующим естественную сложность, сопряжено с огромными трудностями. Создание больших перфузируемых тканей с естественными биомеханическими и физиологическими свойствами требует целостного подхода - от разработки биоинков до оптимизации биореактора.

Долгосрочная производительность и безопасность

Тщательная демонстрация надежной биобезопасности и функциональности в течение длительного времени в сложных областях применения для человека остается нерешенной задачей. Устранение этих препятствий с помощью установленных дорожных карт тканевой инженерии может помочь реализовать потенциал 3D-биопечати.

Проблемы с утверждением нормативных документов

Существующие нормативно-правовые акты плохо приспособлены для оценки этих новых живых медицинских продуктов. Тщательная демонстрация безопасности, эффективности и экономических преимуществ путем тщательной оценки токсичности ставит перед исследователями задачу проведения постоянных исследований.

Этические вопросы и вопросы собственности

Печать живых тканей поднимает вопросы интеллектуальной собственности печатные салфетки и размывание границ между естественным и искусственным. Исследования на ранних стадиях также приводят к философским дебатам о том, какое место занимает человечество в спроектированных биологических структурах.

Оптимизация технологии

Дальнейшее развитие 3D-биопечати зависит от оптимизации имеющихся систем и новых материалов при одновременном устранении оставшихся технических возможностей и ограничений для достижения сложности органов.

Заключение

В заключение хочу сказать, что 3D-биопринтинг обладает огромным потенциалом для развития медицины и здравоохранения. Он обеспечивает беспрецедентный уровень персонализации и контроля на клеточном уровне. От протезов и имплантатов до хирургических моделей и инструментов, разработки лекарств и тканей для исследований - области применения 3D-биопечати обширны и далеко идущи. Несмотря на то, что остаются проблемы, связанные с масштабом, сложностью, васкуляризацией и одобрением регулирующих органов, эта область быстро развивается.

Биопринтинг из нескольких материалов и интеграция с микрофлюидикой приближают нас к печати полностью функциональных органов. По мере дальнейшего развития материалов и процессов, создание жизнеспособных тканей и органов, пригодных для пересадки, может стать реальностью. 3D-биопечать будет продолжать трансформировать исследования, методы лечения и способы разработки лекарств. Она обещает еще больше персонализировать уход и принести будущее точной медицины. Благодаря постоянному прогрессу и синергии между различными дисциплинами, полный потенциал 3D-биопечати для революции в здравоохранении находится в пределах досягаемости.

Вопросы и ответы

Какие медицинские приборы и продукты могут быть изготовлены с помощью этой технологии?

Технология 3D-печати применяется в медицине для производства анатомических моделей, протезов человеческих органов, хирургических инструментов и шаблонов, коронок и мостов в стоматологии, рецептур лекарств и средств борьбы с болезнями. Практически все, что может быть заложено в цифровой дизайн, может быть напечатано в 3D-модели и изготовлено.

Насколько точны анатомические модели, напечатанные в 3D?

Актуальность материала сильно зависит от конкретного метода создания, а точность и надежность моделей сильно варьируются.

Успех методики зависит от качества исходных снимков. Современные передовые методы визуализации, такие как КТ или МРТ высокого разрешения, позволяют точно создавать анатомические модели с погрешностью менее 1 мм с помощью 3D-печати.

Безопасны ли такие технологии, как 3D-печать медицинских изделий?

Медицинские изделия, изготовленные с помощью 3D-печати, так же безопасны, как и устройства, изготовленные традиционным способом, и проходят тот же набор процессов для одобрения FDA. Необходимо использовать биосовместимые материалы, подходящие для каждого случая применения.

Как скоро печать органов станет реальностью?

Хотя простые ткани уже напечатаны, до печати целых функциональных органов еще далеко. Васкуляризация, механические свойства, соответствующие родным тканям, и масштабирование остаются серьезными проблемами. Возможно, пройдет 10-20 лет, прежде чем появятся органы, которые можно будет пересаживать с помощью 3D-печати.

Как люди могут получить доступ к медицинским устройствам, напечатанным на 3D-принтере?

Больницы приобретают дорогие 3D-принтеры, но также передают печать на аутсорсинг. Онлайн-сервисы, такие как Xometry, предлагают печать медицинских устройств по всему миру. Принтеры "сделай сам" - это новый вариант для более простых задач.