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使用 3D 生物打印构建“真实”生物结构

在生物 3D 打印技术的重大进步中,细胞和组织已被创造为在其自然环境中表现得像,从而构建“真实”的生物结构

3D打印是一种将材料添加在一起,从而在计算机的数字控制下结合或固化以创建三维物体或实体的过程。 快速原型制造和增材制造是其他术语,用于描述这种通过分层材料和逐步构建来创建复杂对象或实体的技术——或者简称为“增材”方法。 这项卓越的技术自 1987 年被正式发现以来已经存在了三年,直到最近它才成为人们关注的焦点并广受欢迎,因为它不仅是生产原型的一种手段,而且还提供了成熟的功能组件。 这就是可能性的潜力 3D 印刷现在正在推动包括工程、制造和医学在内的许多领域的重大创新。

可以使用不同类型的增材制造方法,它们遵循相同的步骤来实现最终结果。 在第一个关键步骤中,设计是使用计算机上的 CAD(计算机辅助设计)软件创建的——称为数字蓝图。 该软件可以预测最终结构的结果和行为方式,因此第一步对于获得良好结果至关重要。 然后将此 CAD 设计转换为 3D 打印机能够解释设计说明所需的技术格式(称为 .stl 文件或标准曲面细分语言)。 接下来,需要为实际打印设置 3D 打印机(类似于普通、家庭或办公室 2D 打印机)——这包括配置尺寸和方向、选择横向或纵向打印、用正确的粉末填充打印机墨盒. 这 3D打印机 然后开始打印过程,逐渐在材料的一个微观层上建立设计。 该层的厚度通常约为 0.1 毫米,但可以定制以适合正在打印的特定对象。 整个过程大部分是自动化的,不需要物理干预,只需定期检查以确保正确的功能。 一个特定的对象需要几个小时到几天才能完成,具体取决于设计的大小和复杂性。 此外,由于它是一种“添加剂”方法,它经济、环保(没有浪费)并且还为设计提供了更大的空间。

下一个层次:3D 生物打印

生物打印 是传统 3D 打印的延伸,最近的进步使 3D 打印能够应用于生物活体材料。 虽然 3D 喷墨打印已被用于开发和制造先进的医疗设备和工具,但还需要进一步开发以打印、查看和理解生物分子。 关键的区别在于,与喷墨打印不同,生物打印基于由活细胞结构组成的生物墨水。 因此,在生物打印中,当输入特定的数字模型时,特定的活组织被打印并逐层构建。 由于活体的细胞成分非常复杂,3D 生物打印进展缓慢,材料、细胞、因子、组织的选择等复杂性带来了额外的程序挑战。 这些复杂性可以通过整合来自跨学科领域(例如生物学、物理学和医学)的技术来扩大理解来解决。

生物打印的重大进展

在发表的一项研究 高级功能材料,研究人员开发了一种 3D 生物打印技术,该技术使用通常在自然组织(其原生环境)中发现的细胞和分子来创建类似于“真实”生物结构的构造或设计。 这种特殊的生物打印技术将“分子自组装”与“3D 打印”相结合,以创建复杂的生物分子结构。 分子自组装是一个过程,分子通过该过程自行采用定义的排列来执行特定任务。 该技术集成了“结构特征的微观和宏观控制”,“3D 打印”通过“分子自组装”提供了“分子和纳米级控制”。 它利用分子自组装的力量来刺激正在打印的细胞,否则当常规的“3D 打印墨水”不提供这种方法时,这是 3D 打印的一个限制。

研究人员将结构“嵌入”到“生物墨水”中,这与它们在体内的原生环境相似,使得这些结构的行为就像它们在体内一样。这种生物墨水也称为自组装墨水,有助于在打印过程中和打印后控制或调节化学和物理特性,从而相应地刺激细胞行为。独特的机制应用于 生物印刷 允许我们观察这些细胞在其环境中的工作方式,从而让我们对真实的生物场景有一个快照和理解。 它通过打印能够在多个尺度上组装成明确结构的多种类型的生物分子,提高了构建 3D 生物结构的可能性。

未来可期!

生物打印研究已经被用于生成不同类型的组织,因此对于组织工程和再生医学来说非常重要,可以满足对适合移植的组织和器官的需求——皮肤、骨骼、移植物、心脏组织等。此外,该技术开辟了广泛的可能性来设计和创建生物场景,如复杂和特定的细胞环境,通过实际创建对象或构造——在数字控制下和分子精度下——类似于或模仿体内组织,从而使组织工程的繁荣成为可能。 可以为医疗程序、培训、测试、研究和药物发现计划创建活组织、骨骼、血管以及潜在的和整个器官模型。 非常具体的一代定制的患者特定结构可以帮助设计准确、有针对性和个性化的治疗。

一般来说,生物打印和 3D 喷墨打印的最大障碍之一是开发先进、复杂的软件来应对打印第一步的挑战——创建合适的设计或蓝图。例如,非生命物体的蓝图可以很容易地创建,但当涉及到创建肝脏或心脏等数字模型时,它具有挑战性,并且不像大多数物质对象那样简单。生物打印无疑具有众多优势——精确控制、可重复性和个性化设计,但仍然面临一些挑战——最重要的挑战是在空间结构中包含多种细胞类型,因为生活环境是动态的而不是静态的。这项研究促进了 3D生物打印 遵循他们的原则可以消除许多障碍。显然,生物打印的真正成功有几个方面。生物打印技术最关键的方面是开发相关且合适的生物材料,提高打印分辨率以及血管化,以便能够在临床上成功应用该技术。通过生物打印“创造”功能齐全且可行的人体移植器官似乎确实是不可能的,但尽管如此,这个领域正在快速发展,并且在短短几年内,大量的发展都处于最前沿。由于研究人员和生物医学工程师已经走上了成功复杂生物打印的道路,因此克服生物打印带来的大部分挑战应该是可以实现的。

生物打印的一些问题

在该领域提出的一个关键点 生物印刷 最大的问题是,现阶段几乎不可能测试使用该技术向患者提供的任何生物“个性化”治疗的有效性和安全性。此外,与此类处理相关的成本也是一个大问题,尤其是在制造方面。虽然开发出可以替代人体器官的功能性器官的可能性很大,但即便如此,目前还没有一种万无一失的方法来评估患者的身体是否会接受新的组织或生成的人造器官,以及这种移植是否会成功。全部。

生物打印是一个不断增长的市场,将专注于组织和器官的开发,也许几十年后,3D 打印的人体器官和器官就会出现新的成果。 移植。 3D 生物印刷 将继续成为我们一生中最重要和最相关的医学发展。

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{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

Hedegaard CL 2018. 肽-蛋白质生物墨水的流体动力学引导分层自组装。 高级功能材料https://doi.org/10.1002/adfm.201703716

赛欧团队
赛欧团队https://www.ScientificEuropean.co.uk
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