הבנת הדפסת ביו ויישומיה

הדפסת ביו, סוג של הדפסת תלת מימד, משתמש בתאים ובחומרים ביולוגיים אחרים כ"דיו "כדי לייצר מבנים ביולוגיים תלת-ממדיים. לחומרים מודפסים על ידי ביו פוטנציאל לתיקון איברים, תאים ורקמות פגומים בגוף האדם. בעתיד ניתן להשתמש בהדפסת ביו לבניית איברים שלמים מאפס, אפשרות העלולה להפוך את תחום ההדפסה ביולוגית.

חוקרים חקרו את ההדפסה הביולוגית של רבים ושונים סוגי תאיםכולל תאי גזע, תאי שריר ותאי אנדותל. מספר גורמים קובעים אם ניתן להדפיס ביולוגית חומר. ראשית, על החומרים הביולוגיים להיות תואמים ביולוגית עם החומרים בדיו והמדפסת עצמה. בנוסף, התכונות המכניות של המבנה המודפס, כמו גם הזמן שלוקח לאיבר או לרקמה להתבגר, משפיעות גם הן על התהליך.

בדרך כלל, Bioinks מתחלקים לשני סוגים:

• ג'לים על בסיס מים, או הידרוגלים, פועלים כמבני תלת מימד בהם התאים יכולים לשגשג. הידרוגלים המכילים תאים מודפסים לצורות מוגדרות, ו- פולימרים בהידרוגלים מחוברים זה לזה או "מקושרים" כך שהג'ל המודפס מתחזק. פולימרים אלה יכולים להיות נגזרים או סינתטיים באופן טבעי, אך עליהם להיות תואמים לתאים.
• אגרגטים של תאים זה מתמזג באופן ספונטני לרקמות לאחר ההדפסה.

לתהליך ההדפסה הביולוגית יש קווי דמיון רבים עם תהליך הדפסת התלת מימד. הדפסת ביו מחולקת בדרך כלל לשלבים הבאים:

• עיבוד מוקדם: מכינים מודל תלת ממדי המבוסס על שחזור דיגיטלי של האיבר או הרקמה להדפסה ביולוגית. ניתן ליצור שחזור זה על סמך תמונות שצולמו באופן לא פולשני (למשל באמצעות MRI) או באמצעות תהליך פולשני יותר, כמו סדרת פרוסות דו ממדיות שצולמו בעזרת קרני רנטגן.
• מעבד: מודפס הרקמה או האיבר המבוסס על מודל התלת מימד בשלב עיבוד הכנה. בדומה לסוגים אחרים של הדפסת תלת מימד, שכבות של חומר מתווספות זו לזו בכדי להדפיס את החומר.
• לאחר עיבוד: מבוצעים נהלים הכרחיים כדי להפוך את ההדפס לאיבר או לרקמה פונקציונלית. נהלים אלה עשויים לכלול הצבת הדפוס בתא מיוחד המסייע לתאים להתבגר כראוי ומהר יותר.

בדומה לסוגים אחרים של הדפסת תלת מימד, ניתן להדפיס ביואקים בכמה דרכים שונות. לכל שיטה יתרונות וחסרונות ברורים משלה.

• הדפסת ביו מבוססת הזרקת דיו פועלת באופן דומה למדפסת הזרקת דיו משרדית. כאשר מודפס עיצוב באמצעות מדפסת הזרקת דיו, דיו נורה דרך חרירים זעירים רבים על הנייר. זה יוצר תמונה העשויה מטיפות רבות כל כך קטנות, שאינן נראות לעין. החוקרים התאימו את הדפסת דיו להדפסת ביו, כולל שיטות המשתמשות בחום או ברטט כדי לדחוף דיו דרך החרירים. מדפסות ביו אלה הן במחיר סביר יותר מטכניקות אחרות, אך הן מוגבלות לכמות bioink בעלת צמיגות נמוכה, שעלולה בתורם להגביל את סוגי החומרים שניתן להדפיס.
• בעזרת לייזרהדפסת ביו משתמש בלייזר בכדי להעביר תאים מתמיסה למשטח בדיוק רב. הלייזר מחמם חלק מהפתרון, ויוצר כיס אוויר ומעקור תאים לעבר פני השטח. מכיוון שטכניקה זו אינה דורשת חרירים קטנים כמו בהדפסת ביו מבוססת הזרקת דיו, ניתן להשתמש בחומרים בעלי צמיגות גבוהה יותר, אשר אינם יכולים לזרום בקלות דרך חרירים. הדפסת ביו בסיוע לייזר מאפשרת גם הדפסת דיוק גבוהה מאוד. עם זאת, החום מהלייזר עלול לפגוע בתאים המודפסים. יתרה מזאת, לא ניתן בקלות "לקלוט את הטכניקה" כדי להדפיס במהירות מבנים בכמויות גדולות.
• הדפסה ביולוגית על בסיס שחול משתמש בלחץ בכדי לכפות חומר מתוך הזרבובית ליצירת צורות קבועות. שיטה זו מגוונת יחסית: ניתן להדפיס באמצעות ביו-חומרים בעלי צמיגות שונות התאמת הלחץ, אם כי יש להקפיד שכן לחצים גבוהים יותר עשויים לפגוע ב תאים. הדפסה ביולוגית על בסיס שחול עשויה להיות מגודלת לייצור, אך יתכן שהיא אינה מדויקת כמו טכניקות אחרות.
• מדפסות ביו אלקטרוניות ומדפסות אלקטרוניות לעשות שימוש בשדות חשמליים ליצירת טיפות או סיבים, בהתאמה. לשיטות אלה יכול להיות דיוק ברמת הננומטר. עם זאת, הם משתמשים במתח גבוה מאוד, שעלול להיות לא בטוח לתאים.

מכיוון שהדפסת ביו מאפשרת בנייה מדויקת של מבנים ביולוגיים, הטכניקה עשויה למצוא שימושים רבים בביו-רפואה. חוקרים השתמשו בהדפסה ביולוגית כדי להציג תאים שיעזרו לתקן את הלב לאחר התקף לב וכן להפקדת תאים לעור פצוע או סחוס. הדפסות ביולוגיות שימשו לייצור שסתומי לב לשימוש אפשרי בחולים עם מחלות לב, לבנות רקמות שרירים ועצמות, ועוזרים לתקן עצבים.

אף שצריך לעשות יותר עבודה כדי לקבוע כיצד תוצאות אלו יתפקדו במסגרת קלינית, המחקר מראה כי ניתן להשתמש בהדפס ביולוגי בכדי לסייע בהתחדשות הרקמות במהלך הניתוח או לאחר מכן פציעה. מדפסות ביולוגיות יכולות בעתיד גם לאפשר לייצור איברים שלמים כמו כבדים או לבבות מאפס ומשמשים בהשתלות איברים.

בנוסף להדפסת ביו תלת מימדית, קבוצות מסוימות בדקו גם הדפסת ביו-דפוס 4D, המתחשבת בממד הרביעי של הזמן. הדפסת ביו-דפוס מבוססת על הרעיון שמבני התלת-ממד המודפסים עשויים להמשיך להתפתח עם הזמן, גם לאחר שהודפסו. המבנים עשויים אפוא לשנות את צורתם ו / או תפקודם כאשר הם נחשפים לגירוי הנכון, כמו חום. הדפסת ביו-דפוס עשויה למצוא שימוש באזורים ביו-רפואיים, כמו יצירת כלי דם על ידי ניצול האופן שבו מבנים ביולוגיים מתקפלים ומתגלגלים.

אף על פי שההדפסות הביולוגית עשויה לעזור להציל חיים רבים בעתיד, טרם טופלו מספר אתגרים. לדוגמה, המבנים המודפסים עשויים להיות חלשים ואינם מסוגלים לשמור על צורתם לאחר שהם מועברים למיקום המתאים בגוף. יתר על כן, רקמות ואיברים מורכבים, המכילים סוגים רבים ושונים של תאים המסודרים בדרכים מדויקות מאוד. טכנולוגיות הדפסה נוכחיות לא יכולות לשכפל ארכיטקטורות מורכבות כאלה.

לבסוף, טכניקות קיימות מוגבלות גם לסוגים מסוימים של חומרים, טווח צמיגות מוגבל ודיוק מוגבל. לכל טכניקה פוטנציאל לגרום נזק לתאים ולחומרים אחרים המודפסים. סוגיות אלה יטופלו כאשר החוקרים ימשיכו לפתח הדפסת ביו כדי להתמודד עם בעיות הנדסיות ורפואיות יותר ויותר.

• מכות, שאיבת תאי לב שנוצרו באמצעות מדפסת תלת מימדית, עשויים לעזור לחולי התקף לב, סופי סקוט ורבקה ארמיטאז ', רשת ABC.
• דבנה, א. ואוזבולט, אני. “טכנולוגיית ביו-הדפסה: סקירה עדכנית עדכנית.” Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014, כרך א ' 136, לא. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
• גאו, ב., יאנג, ק., ג'או, י., ג'ין, ג., מא, י., וסו, פ. “הדפסת ביו-דפוס 4D ליישומים ביו-רפואיים.” מגמות בביוטכנולוגיה, 2016, כרך א ' 34, לא. 9, עמ '. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• הונג, נ., יאנג, ג., לי, ג'. וקים, ג. “הדפסת ביו-תלת מימד ויישומי ה- vivo שלה.” כתב העת לחקר חומרים ביו-רפואיים, 2017, כרך א ' 106, לא. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
• Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G., and Markwald, P. “הדפסת איברים: הנדסת רקמות תלת מימד מבוסס סילון בעזרת מחשב.” מגמות בביוטכנולוגיה, 2003, כרך א ' 21, לא. 4, עמ '. 157-161, דוי: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• מרפי, ש ', ואתלה, א. “הדפסת ביו תלת מימדית של רקמות ואיברים.” ביוטכנולוגיה טבע, 2014, כרך א ' 32, לא. 8, עמ '. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. ו- Yoo, J. "טכנולוגיית הדפסת ביו ויישומיה." כתב העת האירופי לכירורגיה לב-חזה, 2014, כרך א ' 46, לא. 3, עמ '. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• סאן, וו. ולל, פ. “התפתחות אחרונה בהנדסת רקמות בעזרת מחשב - סקירה.” שיטות מחשב ותוכניות ביו-רפואה, כרך 67, לא. 2, עמ '. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.