I et stort fremskridt inden for 3D bioprint-teknik er celler og væv blevet skabt til at opføre sig i deres naturlige miljø for at konstruere 'rigtige' biologiske strukturer
3D-print er en procedure, hvor et materiale lægges sammen og dermed sammenføjes eller størknes under digital kontrol af en computer for at skabe et tredimensionelt objekt eller en enhed. Rapid Prototyping og Additive Manufacturing er de andre termer, der bruges til at beskrive denne teknik med at skabe komplekse objekter eller enheder ved at lægge materiale i lag og gradvist opbygge - eller blot en 'additiv' metode. Denne bemærkelsesværdige teknologi har eksisteret i tre årtier efter at være blevet officielt opdaget i 1987, først for nylig er den blevet sat ind i rampelyset og populariteten, da den ikke blot er et middel til at producere prototyper, men snarere at tilbyde fuldgyldige funktionelle komponenter. Sådan er mulighedernes potentiale 3D udskrivning, at det nu driver store innovationer på mange områder, herunder teknik, fremstilling og medicin.
Forskellige typer additive fremstillingsmetoder er tilgængelige, som følger de samme trin for at opnå det endelige slutresultat. I det første afgørende trin skabes design ved hjælp af CAD-software (Computer-Aided-Design) på computer - kaldet en digital blueprint. Denne software kan forudsige, hvordan den endelige struktur vil vise sig og også opføre sig, så dette første trin er afgørende for et godt resultat. Dette CAD-design konverteres derefter til et teknisk format (kaldet en .stl-fil eller standard tessellation-sprog), som er påkrævet for at 3D-printeren kan fortolke designanvisninger. Dernæst skal 3D-printeren konfigureres (svarende til en almindelig 2D-printer til hjemmet eller på kontoret) til selve udskrivningen – dette inkluderer konfiguration af størrelse og orientering, valg af liggende eller stående udskrifter, opfyldning af printerpatronerne med det rigtige pulver . Det 3D printer derefter starter udskrivningsprocessen, hvor designet gradvist opbygges et mikroskopisk lag af materialet ad gangen. Dette lag er typisk omkring 0.1 mm i tykkelse, selvom det kan tilpasses, så det passer til et bestemt objekt, der udskrives. Hele proceduren er for det meste automatiseret, og der kræves ingen fysisk indgriben, kun periodiske kontroller for at sikre korrekt funktionalitet. Et bestemt objekt tager flere timer til dage at færdiggøre, afhængigt af størrelsen og kompleksiteten af designet. Da det er en 'additiv' metode, er den desuden økonomisk, miljøvenlig (uden spild) og giver også meget større muligheder for design.
Det næste niveau: 3D Bioprinting
Bioprint er en udvidelse af traditionel 3D-print med de seneste fremskridt, der gør det muligt at anvende 3D-print på biologiske levende materialer. Mens 3D inkjet print allerede bliver brugt til at udvikle og fremstille avanceret medicinsk udstyr og værktøjer, skal der udvikles et skridt videre for at printe, se og forstå biologiske molekyler. Den afgørende forskel er, at i modsætning til inkjet-print er bioprint baseret på bio-blæk, som består af levende cellestrukturer. Så i bioprint, når en bestemt digital model er input, bliver det specifikke levende væv printet og bygget op lag for cellelag. På grund af de meget komplekse cellulære komponenter i den levende krop, skrider 3D-bioprintning langsomt frem, og kompleksiteter såsom valg af materialer, celler, faktorer, væv udgør yderligere proceduremæssige udfordringer. Disse kompleksiteter kan løses ved at udvide forståelsen ved at integrere teknologier fra tværfaglige områder, f.eks. biologi, fysik og medicin.
Store fremskridt inden for bioprint
I en undersøgelse offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer, har forskere udviklet en 3D-bioprintteknik, som bruger celler og molekyler, der normalt findes i naturlige væv (deres oprindelige miljø), til at skabe konstruktioner eller design, der ligner 'rigtige' biologiske strukturer. Denne særlige bioprintteknik kombinerer 'molekylær selvsamling' med '3D-print' for at skabe komplekse biomolekylære strukturer. Molekylær selvsamling er en proces, hvorved molekyler vedtager et defineret arrangement på egen hånd for at udføre en specifik opgave. Denne teknik integrerer 'mikro- og makroskopisk kontrol af strukturelle funktioner', som '3D-printning' giver med 'molekylær og nanoskala-kontrol' aktiveret af 'molekylær selvsamling'. Den bruger kraften fra molekylær selvsamling til at stimulere de celler, der udskrives, hvilket ellers er en begrænsning i 3D-print, når almindelig '3D-printblæk' ikke giver dette middel til dette.
Forskere 'indlejrede' strukturer i 'bioblæk', som ligner deres oprindelige miljø inde i kroppen, hvilket får strukturerne til at opføre sig, som de ville i kroppen. Denne bio-blæk, også kaldet den selvsamlende blæk, hjælper med at kontrollere eller modulere kemiske og fysiske egenskaber under og efter udskrivningen, som så tillader at stimulere celleadfærd i overensstemmelse hermed. Den unikke mekanisme, når den anvendes på bioprint giver os mulighed for at foretage observationer af, hvordan disse celler fungerer i deres miljøer, hvilket giver os et øjebliksbillede og forståelse af det virkelige biologiske scenarie. Det øger muligheden for at bygge 3D biologiske strukturer ved at printe flere typer biomolekyler, der er i stand til at samles til veldefinerede strukturer i flere skalaer.
Fremtiden er meget håbefuld!
Forskning i bioprint bliver allerede brugt til at generere forskellige typer væv og kan derfor være meget vigtig for vævsteknologi og regenerativ medicin for at imødekomme behovet for væv og organer, der er egnede til transplantation – hud, knogler, transplantater, hjertevæv osv. Yderligere er teknikken åbner op for en bred vifte af muligheder for at designe og skabe biologiske scenarier som komplekse og specifikke cellemiljøer for at muliggøre velstand for vævsteknologi ved faktisk at skabe genstande eller konstruktioner - under digital kontrol og med molekylær præcision - som ligner eller efterligner væv i kroppen. Modeller af levende væv, knogler, blodkar og potentielt og hele organer er mulige at skabe til medicinske procedurer, træning, testning, forskning og lægemiddelopdagelsesinitiativer. Meget specifik generation af tilpassede patientspecifikke konstruktioner kan hjælpe med at designe nøjagtige, målrettede og personlige behandlinger.
En af de største forhindringer for bioprint og 3D inkjet print generelt har været udviklingen af en avanceret, sofistikeret software til at imødegå udfordringen i det første trin af udskrivning – at skabe et passende design eller blueprint. For eksempel kan planen for ikke-levende objekter oprettes nemt, men når det kommer til at skabe digitale modeller af f.eks. en lever eller hjerte, er det udfordrende og ikke ligetil som de fleste materielle objekter. Bioprinting har absolut mange fordele – præcis kontrol, repeterbarhed og individuelt design, men er stadig plaget af flere udfordringer – den vigtigste er inklusion af flere celletyper i en rumlig struktur, da et levende miljø er dynamisk og ikke statisk. Denne undersøgelse har bidraget til at fremme 3D bioprint og mange forhindringer kan fjernes ved at følge deres principper. Det er klart, at den virkelige succes med bioprint har flere facetter knyttet til sig. Det mest afgørende aspekt, som kan styrke bioprinting, er udvikling af relevante og passende biomaterialer, forbedring af opløsningen af udskrivningen og også vaskularisering for at kunne anvende denne teknologi med succes klinisk. Det ser ud til at være umuligt at 'skabe' fuldt fungerende og levedygtige organer til menneskelig transplantation ved hjælp af bioprint, men ikke desto mindre skrider dette felt hurtigt frem, og masser af udvikling er på forkant nu om få år. Det burde være muligt at overvinde de fleste af udfordringerne forbundet med bioprint, da forskere og biomedicinske ingeniører allerede er på vej til vellykket kompleks bioprinting.
Nogle problemer med Bioprinting
Et kritisk punkt rejst inden for området bioprint er, at det er næsten umuligt på nuværende tidspunkt at teste effektiviteten og sikkerheden af biologiske 'personlige' behandlinger, der tilbydes patienter, der bruger denne teknik. Også omkostninger forbundet med sådanne behandlinger er et stort problem, især når det drejer sig om fremstilling. Selvom det i høj grad er muligt at udvikle funktionelle organer, der kan erstatte menneskelige organer, men selv da er der i øjeblikket ingen idiotsikker måde at vurdere, om patientens krop vil acceptere nyt væv eller det dannede kunstige organ, og om sådanne transplantationer vil lykkes ved alle.
Bioprinting er et voksende marked og vil fokusere på udvikling af væv og organer, og måske om nogle få årtier vil der blive set nye resultater i 3D-printede menneskelige organer og transplantationer. 3D bioprint vil fortsat være den vigtigste og mest relevante medicinske udvikling i vores levetid.
***
Kilde (r)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamisk styret hierarkisk selvsamling af peptid-protein bioinks. Avancerede funktionelle materialer. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
