Wat is bioprinting?

Bioprinting, een soort 3D-printen, gebruikt cellen en andere biologische materialen als "inkten" om 3D-biologische structuren te fabriceren. Bioprinted materialen kunnen beschadigde organen, cellen en weefsels in het menselijk lichaam repareren. In de toekomst kan bioprinting worden gebruikt om hele orgels helemaal opnieuw te bouwen, een mogelijkheid die het veld van bioprinting zou kunnen transformeren.

Materialen die bioprintbaar zijn

Onderzoekers hebben de bioprinting van veel verschillende celtypen bestudeerd, waaronder stamcellen, spiercellen en endotheelcellen. Verschillende factoren bepalen of een materiaal al dan niet bioprint kan worden. Ten eerste moeten de biologische materialen biocompatibel zijn met de materialen in de inkt en de printer zelf. Bovendien beïnvloeden de mechanische eigenschappen van de gedrukte structuur, evenals de tijd die het orgaan of weefsel nodig heeft om te rijpen, het proces.

Bioinks vallen meestal in een van twee soorten:

Gels op waterbasis, of hydrogels, fungeren als 3D-structuren waarin cellen kunnen gedijen. Hydrogels die cellen bevatten worden in gedefinieerde vormen geprint en de polymeren in de hydrogels worden samengevoegd of "verknoopt" zodat de geprinte gel sterker wordt. Deze polymeren kunnen natuurlijk zijn afgeleid of synthetisch, maar moeten compatibel zijn met de cellen.
Aggregaten van cellen die na het afdrukken spontaan samensmelten tot tissues.

Hoe bioprinting werkt

Het bioprintproces heeft veel overeenkomsten met het 3D-printproces. Bioprinting is over het algemeen onderverdeeld in de volgende stappen:

preprocessing: Er wordt een 3D-model voorbereid op basis van een digitale reconstructie van het orgaan of weefsel dat moet worden bioprinted. Deze reconstructie kan worden gemaakt op basis van afbeeldingen die niet-invasief zijn vastgelegd (bijvoorbeeld met een MRI) of via een meer invasief proces, zoals een reeks tweedimensionale plakjes die zijn afgebeeld met röntgenstralen.
Verwerken: Het weefsel of orgaan gebaseerd op het 3D-model in de voorbewerking wordt afgedrukt. Net als bij andere soorten 3D-printen, worden lagen materiaal achtereenvolgens bij elkaar opgeteld om het materiaal af te drukken.
Nabewerking: Noodzakelijke procedures worden uitgevoerd om de afdruk om te zetten in een functioneel orgaan of weefsel. Deze procedures kunnen het plaatsen van de afdruk in een speciale kamer omvatten die cellen helpt om goed en sneller te rijpen.

Soorten bioprinters

Net als bij andere vormen van 3D-printen, kunnen bioinks op verschillende manieren worden afgedrukt. Elke methode heeft zijn eigen voor- en nadelen.

Op inkjet gebaseerde bioprinting werkt op dezelfde manier als een inkjetprinter op kantoor. Wanneer een ontwerp wordt afgedrukt met een inkjetprinter, wordt inkt door vele kleine spuitopeningen op het papier geschoten. Dit creëert een afbeelding gemaakt van vele druppels die zo klein zijn dat ze niet zichtbaar zijn voor het oog. Onderzoekers hebben inkjetprinters aangepast voor bioprinting, inclusief methoden die warmte of trillingen gebruiken om inkt door de spuitopeningen te duwen. Deze bioprinters zijn goedkoper dan andere technieken, maar zijn beperkt tot bio-insoorten met lage viscositeit, die op hun beurt het soort materiaal dat kan worden bedrukt, kunnen beperken.
Laser-assisted bioprinting gebruikt een laser om cellen met een hoge precisie van een oplossing naar een oppervlak te verplaatsen. De laser verwarmt een deel van de oplossing, waardoor een luchtzak ontstaat en cellen naar een oppervlak worden verplaatst. Omdat deze techniek geen kleine spuitmonden vereist, zoals bij op inkjet gebaseerde bioprinting, kunnen materialen met een hogere viscositeit, die niet gemakkelijk door de spuitmonden kunnen stromen, worden gebruikt. Dankzij laserondersteunde bioprinting kan ook zeer nauwkeurig worden afgedrukt. De hitte van de laser kan echter de cellen beschadigen die worden afgedrukt. Bovendien kan de techniek niet gemakkelijk worden "opgeschaald" om snel structuren in grote hoeveelheden af te drukken.
Extrusie-gebaseerde bioprinting gebruikt druk om materiaal uit een mondstuk te persen om vaste vormen te creëren. Deze methode is relatief veelzijdig: biomaterialen met verschillende viscositeiten kunnen worden bedrukt door de druk aan te passen, maar er moet voor worden gezorgd, aangezien hogere druk waarschijnlijker is om de cellen te beschadigen. Op extrusie gebaseerde bioprinting kan waarschijnlijk worden opgeschaald voor productie, maar is mogelijk niet zo nauwkeurig als andere technieken.
Electrospray en electrospinning bioprinters gebruik elektrische velden om respectievelijk druppels of vezels te maken. Deze methoden kunnen tot op nanometer-niveau nauwkeurig zijn. Ze gebruiken echter een zeer hoge spanning, wat onveilig kan zijn voor cellen.

Toepassingen van bioprinting

Omdat bioprinting de precieze constructie van biologische structuren mogelijk maakt, kan de techniek veel toepassingen vinden in biomedicine. Onderzoekers hebben bioprinting gebruikt om cellen te introduceren om het hart te helpen herstellen na een hartaanval en om cellen af te zetten in een gewonde huid of kraakbeen. Bioprinting is gebruikt om hartkleppen te fabriceren voor mogelijk gebruik bij patiënten met hartaandoeningen, spier- en botweefsels op te bouwen en de zenuwen te helpen herstellen.

Hoewel meer werk moet worden gedaan om te bepalen hoe deze resultaten zouden presteren in een klinische setting, toont het onderzoek aan dat bioprinting zou kunnen worden gebruikt om weefsels tijdens chirurgie of na een blessure te regenereren. Met bioprinters kunnen in de toekomst ook hele organen zoals levers of harten helemaal opnieuw worden gemaakt en in orgaantransplantaties worden gebruikt.

4D Bioprinting

Naast 3D-bioprinting hebben sommige groepen ook 4D-bioprinting onderzocht, waarbij rekening wordt gehouden met de vierde tijdsdimensie. 4D bioprinting is gebaseerd op het idee dat de afgedrukte 3D-structuren in de loop van de tijd kunnen blijven evolueren, zelfs nadat ze zijn afgedrukt. De structuren kunnen dus van vorm en / of functie veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan de juiste stimulus, zoals warmte. 4D bioprinting kan nuttig zijn in biomedische gebieden, zoals het maken van bloedvaten door te profiteren van hoe sommige biologische constructies vouwen en rollen.

De toekomst

Hoewel bioprinting in de toekomst veel levens kan helpen redden, moet een aantal uitdagingen nog worden aangepakt. De gedrukte structuren kunnen bijvoorbeeld zwak zijn en niet in staat zijn hun vorm te behouden nadat ze zijn overgebracht naar de juiste locatie op het lichaam. Bovendien zijn weefsels en organen complex en bevatten ze veel verschillende soorten cellen die op zeer nauwkeurige manieren zijn gerangschikt. De huidige printtechnologieën kunnen dergelijke ingewikkelde architecturen mogelijk niet repliceren.

Ten slotte zijn bestaande technieken ook beperkt tot bepaalde soorten materialen, een beperkt bereik van viscositeiten en beperkte precisie. Elke techniek kan schade veroorzaken aan de cellen en andere materialen die worden afgedrukt. Deze kwesties zullen worden aangepakt terwijl onderzoekers bioprinting blijven ontwikkelen om steeds moeilijkere technische en medische problemen aan te pakken.

Referenties

Kloppen, pompen van hartcellen gegenereerd met behulp van 3D-printer kan helpen hartaanvalpatiënten, Sophie Scott en Rebecca Armitage, ABC.
Dababneh, A. en Ozbolat, I. "Bioprinting-technologie: een actuele overzichtsstudie." Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014, vol. 136, nee. 6, doi: 10.1115 / 1.4028512.
Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y. en Xu, F. "4D bioprinting voor biomedische toepassingen." Trends in de biotechnologie, 2016, vol. 34, nee. 9, pp. 746-756, doi: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
Hong, N., Yang, G., Lee, J. en Kim, G. "3D-bioprinting en zijn in vivo-toepassingen." Journal of Biomedical Materials Research, 2017, vol. 106, nee. 1, doi: 10.1002 / jbm.b.33826.
Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G. en Markwald, P. "Orgelafdrukken: computerondersteunde jet-gebaseerde 3D tissue engineering." Trends in de biotechnologie, 2003, vol. 21, nee. 4, pp. 157-161, doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
Murphy, S. en Atala, A. "3D-bioprinting van weefsels en organen." Natuurbiotechnologie, 2014, vol. 32, nee. 8, pp. 773-785, doi: 10.1038 / nbt.2958.
Seol, Y., Kang, H., Lee, S., Atala, A. en Yoo, J. "Bioprinting-technologie en zijn toepassingen." European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2014, vol. 46, nee. 3, pp. 342-348, doi: 10.1093 / ejcts / ezu148.
Sun, W. en Lal, P. "Recente ontwikkeling op het gebied van computer-aided tissue engineering - een overzicht." Computermethoden en -programma's in biogeneeskunde, vol. 67, nee. 2, pp. 85-103, doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.

Wetenschap