Bioprinting und seine Anwendungen verstehen

Bioprinting, eine Art von 3d Druckenverwendet Zellen und andere biologische Materialien als „Tinten“, um biologische 3D-Strukturen herzustellen. Bioprint-Materialien können beschädigte Organe, Zellen und Gewebe im menschlichen Körper reparieren. In Zukunft könnte Bioprinting verwendet werden, um ganze Organe von Grund auf neu aufzubauen, eine Möglichkeit, die das Gebiet des Bioprinting verändern könnte.

Materialien, die bioprinted werden können

Forscher haben das Bioprinting vieler verschiedener untersucht Zelltypeneinschließlich Stammzellen, Muskelzellen und Endothelzellen. Mehrere Faktoren bestimmen, ob ein Material bioprinted werden kann oder nicht. Erstens müssen die biologischen Materialien mit den Materialien in der Tinte und im Drucker selbst biokompatibel sein. Darüber hinaus beeinflussen die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Struktur sowie die Zeit, die das Organ oder Gewebe benötigt, um zu reifen, den Prozess.

Bioinks fallen normalerweise in einen von zwei Typen:

  • Gele auf Wasserbasis
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    oder Hydrogele fungieren als 3D-Strukturen, in denen Zellen gedeihen können. Hydrogele, die Zellen enthalten, werden in definierte Formen gedruckt, und die Polymere in den Hydrogelen werden sie miteinander verbunden oder "vernetzt", so dass das bedruckte Gel stärker wird. Diese Polymere können natürlich abgeleitet oder synthetisch sein, sollten jedoch mit den Zellen kompatibel sein.
  • Aggregate von Zellen die nach dem Drucken spontan zu Geweben verschmelzen.

Wie Bioprinting funktioniert

Das Bioprinting-Verfahren weist viele Ähnlichkeiten mit dem 3D-Druckverfahren auf. Das Bioprinting ist im Allgemeinen in die folgenden Schritte unterteilt:

  • Vorverarbeitung: Ein 3D-Modell basierend auf einer digitalen Rekonstruktion des zu bioprintenden Organs oder Gewebes wird erstellt. Diese Rekonstruktion kann basierend auf Bildern erstellt werden, die nicht-invasiv aufgenommen wurden (z. B. mit einem MRT) oder durch einen invasiveren Prozess, wie eine Reihe von zweidimensionalen Schnitten, die mit Röntgenstrahlen abgebildet werden.
  • wird bearbeitet: Das Gewebe oder Organ, das auf dem 3D-Modell in der Vorverarbeitungsphase basiert, wird gedruckt. Wie bei anderen Arten des 3D-Drucks werden nacheinander Materialschichten addiert, um das Material zu drucken.
  • Nachbearbeitung: Notwendige Verfahren werden durchgeführt, um den Druck in ein funktionelles Organ oder Gewebe umzuwandeln. Diese Verfahren können das Platzieren des Drucks in einer speziellen Kammer umfassen, die es den Zellen ermöglicht, richtig und schneller zu reifen.

Arten von Bioprintern

Wie bei anderen Arten des 3D-Drucks können Bioinks auf verschiedene Arten gedruckt werden. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.

  • Inkjet-basiertes Bioprinting verhält sich ähnlich wie ein Office-Tintenstrahldrucker. Wenn ein Design mit einem Tintenstrahldrucker gedruckt wird, wird Tinte durch viele winzige Düsen auf das Papier gebrannt. Dadurch entsteht ein Bild aus vielen Tröpfchen, die so klein sind, dass sie für das Auge nicht sichtbar sind. Die Forscher haben den Tintenstrahldruck für das Bioprinting angepasst, einschließlich Methoden, die Wärme oder Vibration verwenden, um Tinte durch die Düsen zu drücken. Diese Bioprinter sind günstiger als andere Techniken, beschränken sich jedoch auf niedrigviskose Bioinks, was wiederum die Arten von Materialien einschränken kann, die gedruckt werden können.
  • LaserunterstütztBioprinting verwendet einen Laser, um Zellen mit hoher Präzision von einer Lösung auf eine Oberfläche zu bewegen. Der Laser erwärmt einen Teil der Lösung, erzeugt eine Lufttasche und verschiebt Zellen in Richtung einer Oberfläche. Da für diese Technik keine kleinen Düsen wie beim Bioprinting auf Tintenstrahlbasis erforderlich sind, können Materialien mit höherer Viskosität verwendet werden, die nicht leicht durch Düsen fließen können. Das laserunterstützte Bioprinting ermöglicht auch ein sehr hochpräzises Drucken. Die Wärme des Lasers kann jedoch die zu druckenden Zellen beschädigen. Darüber hinaus kann die Technik nicht einfach "vergrößert" werden, um Strukturen in großen Mengen schnell zu drucken.
  • Extrusionsbasiertes Bioprinting verwendet Druck, um Material aus einer Düse zu drücken, um feste Formen zu erzeugen. Diese Methode ist relativ vielseitig: Biomaterialien mit unterschiedlichen Viskositäten können mit gedruckt werden Einstellen des Drucks, obwohl Vorsicht geboten ist, da höhere Drücke den Druck mit größerer Wahrscheinlichkeit beschädigen Zellen. Extrusionsbasiertes Bioprinting kann wahrscheinlich für die Herstellung vergrößert werden, ist jedoch möglicherweise nicht so präzise wie andere Techniken.
  • Elektrospray- und Elektrospinn-Bioprinter Verwenden Sie elektrische Felder, um Tröpfchen bzw. Fasern zu erzeugen. Diese Methoden können bis zu Nanometer genau sein. Sie verwenden jedoch eine sehr hohe Spannung, die für Zellen unsicher sein kann.

Anwendungen des Bioprinting

Da Bioprinting den präzisen Aufbau biologischer Strukturen ermöglicht, kann die Technik in der Biomedizin viele Anwendungen finden. Forscher haben Bioprinting verwendet, um Zellen einzuführen, um das Herz nach einem Herzinfarkt zu reparieren und Zellen in verwundeter Haut oder Knorpel abzulegen. Bioprinting wurde verwendet, um Herzklappen für eine mögliche Verwendung bei Patienten mit Herzerkrankungen herzustellen, Muskel- und Knochengewebe aufzubauen und bei der Reparatur von Nerven zu helfen.

Obwohl noch mehr Arbeit geleistet werden muss, um festzustellen, wie sich diese Ergebnisse in einem klinischen Umfeld auswirken würden, Die Forschung zeigt, dass Bioprinting verwendet werden kann, um das Gewebe während oder nach der Operation zu regenerieren Verletzung. Bioprinter könnten in Zukunft auch die Herstellung ganzer Organe wie Lebern oder Herzen von Grund auf ermöglichen und bei Organtransplantationen verwendet werden.

4D Bioprinting

Zusätzlich zum 3D-Bioprinting haben einige Gruppen auch das 4D-Bioprinting untersucht, bei dem die vierte Zeitdimension berücksichtigt wird. 4D-Bioprinting basiert auf der Idee, dass sich die gedruckten 3D-Strukturen im Laufe der Zeit weiterentwickeln können, auch nachdem sie gedruckt wurden. Die Strukturen können somit ihre Form und / oder Funktion ändern, wenn sie dem richtigen Reiz wie Wärme ausgesetzt werden. 4D-Bioprinting kann in biomedizinischen Bereichen Verwendung finden, z. B. bei der Herstellung von Blutgefäßen, indem ausgenutzt wird, wie sich einige biologische Konstrukte falten und rollen.

Die Zukunft

Obwohl Bioprinting in Zukunft viele Menschenleben retten könnte, müssen noch einige Herausforderungen angegangen werden. Beispielsweise können die gedruckten Strukturen schwach sein und ihre Form nicht beibehalten können, nachdem sie an die geeignete Stelle auf dem Körper übertragen wurden. Darüber hinaus sind Gewebe und Organe komplex und enthalten viele verschiedene Zelltypen, die sehr präzise angeordnet sind. Gegenwärtige Drucktechnologien sind möglicherweise nicht in der Lage, solche komplizierten Architekturen zu replizieren.

Schließlich sind bestehende Techniken auch auf bestimmte Arten von Materialien, einen begrenzten Viskositätsbereich und eine begrenzte Präzision beschränkt. Jede Technik kann die Zellen und andere zu bedruckende Materialien beschädigen. Diese Probleme werden angegangen, wenn Forscher das Bioprinting weiterentwickeln, um immer schwierigere technische und medizinische Probleme anzugehen.

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