Überblick über die 3D-Bioprinting-Technologie

3D-Biodruck im 21. Jahrhundert. Es ist eine verblüffende Idee, menschliches Gewebe durch additive Fertigung zu drucken.

Man kann sagen, dass dies ein herausragender Schritt in der geweberegenerierenden und gewebezüchtenden Medizin ist.

In den letzten Jahrzehnten wurde diese Technologie verwendet, um zu versuchen, funktionelle Gewebekonstrukte herzustellen, die menschliches Gewebe nachahmen.

Daher könnte der 3D-Biodruck die langen Prozesse beenden, die mit klinischen Tier- und Menschenversuchen von Arzneimitteln verbunden sind.

Außerdem könnte es die Lösung für Organknappheit bei Organtransplantationen sein, die aufgrund von Gewebeabstoßung zum Scheitern neigen. Dieser Durchbruch würde den verzweifelten Zustand der weltweiten Organspende beenden. Hier ist alles, was Sie über 3D-Biodruck wissen müssen.

Was ist 3D-Biodruck?

Die additive Fertigung hat ihre Anwendung in der Orgeltechnik erweitert. Der Prozess beinhaltet den Aufbau eines Organs oder Gewebes in Schichten (eine Schicht oder eine andere). Es nutzt den Bottom-up-Ansatz des 3D-Drucks.

Der Schicht-für-Schicht-Ansatz stellt sicher, dass Sie Primärzellen, bionische und andere Materialien auf eine spezifische Weise ablagern, die die typische Zellarchitektur nachahmt.

Somit führt der Prozess zu einem synthetisierten Gewebe oder einem Organ mit der normalen Funktionalität und Struktur des komplexen natürlichen Gewebes.

Beim dreidimensionalen Bioprinting drucken Sie Biomoleküle und Zellen auf Substrate, um ein bestimmtes Muster zu bilden, das das Konstrukt in der erforderlichen 3D-Form zusammenhält. Bitte beachten Sie, dass beim 3D-Biodruck lebende menschliche Stammzellen, Gewebe und mehr verwendet werden.

Daher müssen Sie die Modalitäten befolgen, die mit lebendem Gewebe verbunden sind. Diese Modalitäten umfassen die Biokompatibilität von Zellen und Materialien, die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber Ihren Druckmaterialien und -methoden, die Perfusion und die Zufuhr von Wachstumsfaktoren.

Warum biogedrucktes Gewebe Tiere und Menschen in präklinischen Studien ersetzen kann

Der Prozess des Bioprinting ist automatisiert. Somit gewährleistet diese Automatisierung präzise Zellmuster und eine kontrollierte extrazelluläre Kommunikation und Organisation.

Außerdem stellt die Schicht-zu-Schicht-Fertigung des biosynthetischen Gewebes sicher, dass das bedruckte Gewebe miteinander verbundene Poren aufweist.

Daher ist das biogedruckte Gewebe oder Organ mit verbesserter interzellulärer und intrazellulärer Kommunikation ideal für die menschliche Physiologie in vivo.

Dieses Merkmal würde das synthetische Gewebe verbessern, da es bei den in den vorklinischen Studien erhaltenen Daten hilfreich ist, auch weil tierisches Gewebe die pathophysiologische Reaktion des Menschen möglicherweise nicht ausreichend vorhersagt.

Wie funktioniert 3D-Biodruck?

Im menschlichen Körper werden Gewebe geschädigt und degenerieren täglich. Ihre Fähigkeiten zur Geweberegeneration reichen jedoch möglicherweise nicht aus, um mit häufigen Traumata wie Unfällen oder Herzerkrankungen fertig zu werden.

Im Laufe der Zeit hängt die Behandlung solcher Erkrankungen von einer Gewebe- oder Organtransplantation ab. Daher riskiert der gesamte Prozess eine Immunantwort oder Transplantatabstoßung.

Bei der Lösung dieser beiden Probleme ist der 3D-Druck praktisch.

Wieso den? Da Sie ein Organ benötigen, besteht das Ziel der regenerativen Medizin durch 3D-Biodruck darin, Ihre Stammzellen mit dem Organ oder Gewebe zu versorgen, das Sie benötigen. Dann haben Sie das perfekte Gewebe, das diese Autoimmunreaktionen nicht anzieht.

Das Konzept des 3D-Biodrucks beinhaltet materialwissenschaftliche Prinzipien und Humanbiologie für die Synthese von Geweben und Organen.

Daher liegt der Schwerpunkt auf der Wiederherstellung geschädigter Organe oder Gewebe, wie Leberzirrhose oder Herzinsuffizienz. Daher dreht sich die Idee darum, die native biologische Komplexität des Gewebes zu emulieren, was zu einer Stammzelldifferenzierung führt, die zu einer Geweberegeneration führt.

Warum 3D-Biodruck statt normaler Spende?

Bei der üblichen Spende resultiert der Prozess, der zur Gewebe- oder Organabstoßung führt, unter anderem aus der Zellbildungs- und Verbindungsinterphase. Es wird durch Wachstumsfaktoren wie vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktoren beeinflusst.

Dieser Prozess ist eher zufällig und erlaubt keine kundenspezifische Verteilung von extrazellulären Matrizen oder Zellen. Außerdem ist es weniger effizient und zeitaufwändig. Aus wirtschaftlicher und logistischer Sicht führt dieser Nachteil dazu, dass das Transplantat für die klinische Anwendung nicht durchführbar ist.

Somit hilft die additive Fertigung bei der Erforschung der Gewebezüchtung durch den Top-down-Ansatz im 3D-Biodruck.

Dieser Ansatz hat eine kontrollierte Natur beim Abscheiden von Materie, was dazu beiträgt, präzise Geometrien zu erzeugen, die anatomisch genau sind, indem ein computergestütztes Design verwendet wird.

Was ist der Zweck des dreidimensionalen Biodrucks?

Laut Allevi 3D-Druckern benötigen über 120.000 US-Bürger eine Organspende.

Unzählige andere Patienten haben chronische und andere unheilbare Gesundheitszustände aufgrund von Immunsuppression nach der Transplantation und andere aufgrund der langfristigen Schädigung derselben.

Daher der erhöhte Druck und der Bedarf an Alternativen zur Organtransplantation. Die additive Fertigung hat der wissenschaftlichen und medizinischen Gemeinschaft geholfen, multidisziplinäre Forscher, Ingenieure und Ärzte zusammenzustellen, um sich den Herausforderungen im Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit zu stellen.

Dreidimensionales Bioprinting ist ein Werkzeug, das die Eliminierung von Wartelisten für Organ- und Gewebetransplantationen verspricht. Auch in der pharmazeutischen Entwicklung bietet Bioprinting eine schnellere und kostengünstigere Möglichkeit, klinische Arzneimittelstudien durchzuführen, die für Tiere und Menschen biologisch relevant sind.

Dieses Gerät hilft beispielsweise Chirurgen, Venen zu verbinden und Komplikationen zu reduzieren. Dreidimensionales Drucken trägt auch dazu bei, einfachere Arzneimittelabgabesysteme anzubieten.

Erstaunlicherweise wird die weitere Entwicklung des 3D-Biodrucks Knochengewebezüchtung und Hautgewebe, Herzgewebe, Organpflaster oder vollständigen Organersatz unter Verwendung der Stammzellen eines Patienten ermöglichen.

Das Ziel des 3D-Drucks ist es, Ärzten und Forschern ein besseres Werkzeug für zielgerichtete Behandlungen mit verbesserten Ergebnissen bereitzustellen.

Wann wurde der 3D-Biodruck erfunden?

Diese Frage führt uns zurück in die frühen 1900er Jahre, als die Nadeldrucker entdeckt wurden.

Die dreidimensionalen Drucker, die in der Lage sind, greifbare Objekte aus Daten von Charles Hall zu drucken, bildeten eine Grundlage für alle Bastler und Ingenieure, um verschiedene Objekte, einschließlich Gewebe und Gebäude, zu drucken.

Der dreidimensionale Biodruck begann jedoch im Jahr 2000, als jemand Prothesen und Implantate herstellte, die den Eigenschaften des Patienten nahezu entsprachen. Der medizinische Bereich hat nicht-biologische Anwendungen des 3D-Drucks plus anatomische Modellierung angenommen.

Im Jahr 2003 stellte Thomas Boland den ersten dreidimensionalen Bioprinter her, der ein lebendes Gewebe mit Bio-Tinte aus biokompatiblen Substanzen druckt. Nach dem Durchbruch im Jahr 2003 erfolgte die erfolgreiche Implantation der ersten im Labor hergestellten menschlichen Blase im Jahr 2006 und der Biodruck des ersten Blutgefäßes im Jahr 2009.

Das Verfahren zum 3D-Bioprinting

Dreidimensionale Bioprinting-Strategien drehen sich um die präzise Schichtung von Materialien. Der Bioprinting-Prozess umfasst Vorbereitungs-, Druck- und Nachbearbeitungsphasen.

In der Vorbereitungsphase entwerfen Sie 3D-Modelle mithilfe von Computergrafiken. Diese Modelle müssen anatomisch genau sein.

Sie wählen auch die Bio-Tinte aus, die Sie verwenden werden. Diese Auswahl bedeutet, dass Sie das gewünschte Muskelgewebe oder die gewünschte Struktur bestimmen und so die richtigen Materialien auswählen, einschließlich Säugerzellen, Endothelzellen oder anderer benötigter Zelltypen.

Der zweite Schritt umfasst die Auswahl von Zusatzmaterialien, und der letzte Schritt umfasst die Reifung der hergestellten Strukturen.

Techniken des Biodrucks

Sie können Bioprinting gerüstfrei oder gerüstbasiert durchführen. Gerüstbasierter Modus; die Matrix umfasst die im Herstellungsprozess verwendete Schicht. Diese Biomaterialmatrix strukturiert die Bio-Tinte. Daher können Sie mit Zellen beladenes Hydrogel, einen Film oder eine Nanofaser verwenden.

Bitte beachten Sie:Das resultierende biologische Konstrukt muss die typische Umgebung der extrazellulären Matrix genau nachahmen. Dieser Aspekt ermöglicht es den Zellen der biologischen Konstrukte, sich zu vermehren und zu wachsen.

Beim gerüstfreien Bioprinting werden Gewebe- und Zellaggregate als Sphäroide, Zylinder, Waben usw. abgelegt. Beim zweiten Prozess werden Gewebesphäroide in Pipetten gegeben und die Pipette dann durch Extrusion in einen begrenzten Raum der 3D-Bioprinter-Form abgelegt.

Dann bilden die Zellen ihre Zellmatrix, die zur Gewebereifung führt; somit beseitigen Sie den Schimmel.

Was sind die Nachteile des 3D-Biodrucks?

Ein Kontaminationsrisiko beim kontinuierlichen Tintenstrahl-Biodruck:Die Bio-Tinte, die nicht im Substrat abgelenkt wird, zirkuliert in Ihren Drucker. Die Rückführung kann zu Verunreinigungen führen.

Das Fehlen von Bioprinting-Komponenten wie unzureichender Software kann biologische Moleküle, Biomaterialien und die Zellplatzierung definieren. Dieser Mangel behindert den 3D-Biodruck.

Bei der Scaffold-Deformation können Ihre neu gebildeten Gewebe versagen, wenn Sie keine mechanische und strukturelle Unterstützung bieten. Sie müssen also stabile 3D-Konstrukte herstellen.

Wie viele Arten von Bioprinting gibt es?

Es gibt mehrere dreidimensionale Drucktechniken für die Herstellung und selektive Musterung der extrazellulären Matrix. Dazu gehören:

• Tintenstrahldruck
• Extrusionsdruck
• Lasergestütztes Bioprinting
• Stereolithographischer Biodruck

Tintenstrahlbasierter dreidimensionaler Biodruck

Beim Tintenstrahl-Biodruck werden Biotinte und lebende Zellen auf Biopapier verwendet. Biotinte ist eine Biomaterialsuspension mit niedriger Viskosität, während Biopapiere Biomaterialsubstanzen wie Polymerkonstrukte, eine Kulturschale oder ein Hydrogelsubstrat sind.

Sie können diese Technik auf zwei Arten ausführen. Der erste Weg ist der kontinuierliche Tintenstrahldruck. Hier erzeugen Sie einen kontinuierlichen Tröpfchenstrom, während Sie Druck auf Ihre Bio-Tinte ausüben. Der Druck zwingt die Tinte heraus.

Dann legen Sie ein elektrisches Feld an, das den Biotintenstrom in ein Substrat ablenkt. Eine Rinne sammelt die überschüssigen Tropfen, die sich nicht im Strom ausrichten, zur Wiederverwendung.

Zweitens haben Sie Drop-on-Demand-Tintenstrahl-Biodruck. Die Aktion ähnelt dem kontinuierlichen Tintenstrahldruck, außer dass Sie die Tröpfchen nach Bedarf produzieren. Daher üben Sie pulsierenden Druck aus, anstatt kontinuierlichen Druck auszuüben.

Laser-Vorwärtsübertragung

Beim laserinduzierten Vorwärtstransfer werden Laserstrahlen zum Aufbringen von Bio-Tinte auf Substrate verwendet. Dieses Verfahren bietet einen berührungslosen Schreibprozess für den dreidimensionalen Druck.

Bei dieser Methode haben Sie drei wichtige Elemente, darunter eine Laserquelle (gepulst), ein mit Bio-Tinte beschichtetes Band und ein Empfängersubstrat. Sie können einen UV-Laser mit einem Nanosekundenpuls als Energiequelle verwenden.

Ursprünglich verwendete LIFT einen hochenergetischen Laserimpuls, um Metallmerkmale auf das transparente Substrat zu schreiben, indem es direkt abgeschieden wurde. Die Technik erstreckt sich als AFA-LIFT.

Absorbing Film-assisted (LIFT) für Bioprinting

Hier fügen Sie eine metallische laserabsorbierende Schicht auf der Schnittstelle zwischen Biotinte und Farbband hinzu. Diese Schicht fungiert als Opferschicht und schützt Ihre Zellen vor der Einwirkung des Lasers.

Bei dieser Technik können Sie Zellen direkt auf die extrazelluläre Matrix drucken. Sie können sie auch als eingekapselte Teile im Druckprozess drucken.

Extrusionsbasierter Biodruck

Extrusions-Biodruck wird auf zwei Arten durchgeführt:Druckunterstützter Biodruck und direktes Schreiben mit Tinte. DIW beinhaltet einen pneumatischen Extrusionsprozess, bei dem der dreidimensionale Bioprinter Materialien extrudiert, die Schicht-für-Schicht-3D-Architekturen erzeugen.

Beim druckunterstützten Drucken induzieren Sie den Fluss, indem Sie eine höhere Spannung über der Streckgrenze des Geräts anwenden. So lösen Sie die Scherspannung und die Biotinte gewinnt nach dem Auftragen auf das Substrat wieder an Festigkeit.

SLA 3D-Bioprinting

SLA-Bioprinting hängt eher von der Höhe der biokompatiblen Materialien als von ihrer Komplexität ab.

Die Technik baut komplexe Gewebe Schicht für Schicht auf, indem Materialien hinzugefügt und Licht projiziert werden. Sie projizieren das Licht auf Ihre hitzehärtbare und lichtempfindliche Bio-Tinte.

Lichtempfindlichkeit ist hier eine Anforderung an die Biomaterialien, da die Technik Licht als Vernetzungsmittel verwendet. Daher müssen Sie photohärtbare Einheiten wie PEG-Derivate einschließen.

Gesundheitssektoren integrieren SLA-Bioprinting in bildgebende Verfahren, einschließlich MRT- und CT-Scans für diagnostische prothetische Verbesserungen.

Die Branche nutzt es auch, um komplexe Operationen zu realisieren. Beim SLA-Bioprinting gibt es zwei Kategorien:Multiphotonen- und Einzelphotonendruckverfahren.

Wer könnte vom 3D-Biodruck profitieren?

Bitte beachten Sie, dass das Bioprinting von Organen und Gewebe mehr Jahre der Forschung erfordert. Aber wir konnten vorhersehen, wem dieses Instrument hauptsächlich verschiedene Patienten zugute kommen wird. Hier ist eine Liste der Bereiche, in denen Bioprinting anwendbar ist.

• Bioprinting von Hautgewebe
• Bioprinting von Knochengewebe
• Biodruck von Knorpelgewebe
• Bioprinting von Herzgewebe

Was ist 3D-Bioprinting von Geweben und Organen?

Bioprinting von Hautgewebe

Die menschliche Haut ist komplex mit akzessorischen Strukturen wie Talgdrüsen, Schweißdrüsen, Haaren und Nägeln. Sie haben auch verschiedene Arten von Zellen und Nervenenden. Kollagengewebe ist für die Elastizität Ihrer Haut verantwortlich.

3D-Bioprinting kann die menschliche Haut drucken, was bedeutet, ihr die notwendigen mechanischen Eigenschaften zu verleihen, indem alle ihre Eigenschaften in vier Schritten erzeugt werden. Die erste Phase ist vorbereitend, in der Sie Hautstammzellen aus einer Biopsie gewinnen und sie in einer Kultur erweitern, um die Bio-Tinte herzustellen.

Der zweite Schritt ist der eigentliche Druck, gefolgt von der Nachbearbeitung, bei der die Zellen wachsen und reifen.

Abschließend charakterisieren und bewerten Sie die Funktion des Hautgewebes. Daher wird der Hautgewebe-Biodruck für Menschen mit Hautkrebs oder Hautkrankheiten, Verbrennungen und Problemen mit Alterung und Faltenbildung der Haut einen großen Beitrag leisten.

Herzgewebe-Bioprinting

Herz-Kreislauf-Erkrankungen haben weiterhin bei vielen Menschen zum Tod geführt. Häufige Herzerkrankungen sind Herzstillstand, Myokardinfarkt, Herzinsuffizienz, Angina pectoris, Kardiomyopathie usw. Außerdem haben Arterien und Venen chronische Erkrankungen wie Stenosen gezeigt.

Die traurige Nachricht ist, dass Kardiomyozyten unersetzlich sind, da ihnen eine Selbstregeneration oder ein Reparaturprozess fehlt. Ihr kontinuierlicher Tod erhöht das Wachstum von Kollagengewebe, was das Risiko einer Kardiomyopathie erhöht. Unter diesen Bedingungen ist es schwierig, einen Herzspender zu bekommen.

Aber mit dem 3D-Bioprinting werden diese Gesundheitsprobleme beherrschbar sein. Das Bioprinting von Herzgewebe ist aufgrund der Komplexität des Herzmuskels eine Herausforderung, insbesondere wenn es darum geht, seine autorhythmische Natur zu erreichen.

Bioprinting von Knorpelgewebe

Knorpel ist ein glattes weißes Gewebe, das die Knochenenden bedeckt. Es ist eine komplexe Struktur aus Proteoglykanen, Kollagen und Proteinen.

Seine herausragenden Eigenschaften sind, dass Knorpelgewebe avaskulär ist und das Nerven- und Lymphsystem es nicht so gut erreichen kann.

Wenn Sie sich also kontinuierlich verletzen oder ein Trauma verursachen, kann es zu Osteoarthritis oder Beeinträchtigungen kommen. Die Gewebezüchtung erwägt derzeit die Verteilung dieser biologischen Faktoren durch die Ablagerung von Polyethylen und Chondrozyten im Knorpelgewebe-Biodruck.

Bioprinting von Knochengewebe

Knochengewebe ist ein stark vaskularisiertes und strukturell komplexes Gewebe. Osteodegenerative Knochenbrüche und Knochenbrüche können zu Verletzungen und Traumata führen, die zu einer Funktionsstörung des Knochengewebes oder einem chronischen Knochendefekt führen.

Diese Funktionsstörungen und Defekte erfordern eine Knochenregeneration, die zur Wiederherstellung des beschädigten Knochengewebes beitragen kann.

Knochengewebezüchtung verwendet Hydrogele. Die Hydrogele sind jedoch nicht in der Lage, eine mineralisierte Knochenmatrix zu bilden.

Somit verspricht der Biodruck von Knochengewebe bessere Ergebnisse bei kontrollierbarer Chemie und Formerhaltung der Gewebeintegrität.

Welches Material kann im Bioprinting verwendet werden?

Die Tinte muss Ihre gewünschten biochemischen Eigenschaften besitzen, die dabei helfen, sie in den angegebenen Mustern abzuscheiden. Warum?

Weil Bio-Tinte Interaktionen mit extrazellulärer Matrix sowie Zellproliferation und -wachstum erleichtert. Außerdem muss die Tinte biokompatibel sein, um die Morphologie des gewünschten Gewebes zu unterstützen.

Für den Biodruck von Herz- und Hautgewebe benötigen Sie eine ähnliche Bio-Tinte. Sie können natürliche Polymere wie Kollagen, Gelatine, Alginat oder Hyaluronsäure wählen.

Wenn Sie synthetische Polymere bevorzugen, können Sie Poly-Milch-Co-Glykolsäure, Polycaprolacton, Polyethylenglykol wählen. Außerdem können Sie eine Mischung aus synthetischen und natürlichen Biomaterialien wählen.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl von Biotinte für Knochengewebe Zellspezialisierung, Funktionalität und Zytokompatibilität.

Sie können Gelatine, Hydroxylapatit verwenden; Gelatine für die Vorbereitungsphase und Hydroxylapatit, um dem gedruckten Gewebekonstrukt zu helfen, das natürliche Knochengewebe nachzuahmen.

Abschluss

3D-Bioprinting ist ein Werkzeug, das verspricht, die Medizin, wie wir sie kennen, zu revolutionieren. Von der Züchtung von Herzgewebe bis hin zu gedruckten Knochengewebestrukturen wird der 3D-Druck dazu beitragen, die enormen Herausforderungen in der menschlichen Gesundheit zu bewältigen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Tissue-Engineering-Anwendungen in Herzweichgewebe, Blutgefäßen, Knorpelgewebe usw. dazu beitragen werden, die Wartelisten für Spenden anzugehen und die Gesundheit zu verbessern.

Wir gehen davon aus, dass wir sehr bald von der konventionellen Zellbiologie zur fortgeschrittenen Medizin mit dreidimensionalen Geweben und Organen übergehen werden.