Σε μια σημαντική πρόοδο στην τεχνική της τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης, τα κύτταρα και οι ιστοί έχουν δημιουργηθεί για να συμπεριφέρονται όπως στο φυσικό τους περιβάλλον, έτσι ώστε να κατασκευάζονται «πραγματικές» βιολογικές δομές
Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι μια διαδικασία κατά την οποία ένα υλικό προστίθεται μαζί και έτσι ενώνεται ή στερεοποιείται υπό ψηφιακό έλεγχο ενός υπολογιστή για να δημιουργηθεί ένα τρισδιάστατο αντικείμενο ή οντότητα. Η Ταχεία Πρωτοτυποποίηση και η Κατασκευή Πρόσθετων είναι οι άλλοι όροι που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν αυτήν την τεχνική δημιουργίας πολύπλοκων αντικειμένων ή οντοτήτων με στρώση υλικού και σταδιακή δημιουργία – ή απλώς μια μέθοδο «προσθετικής». Αυτή η αξιοσημείωτη τεχνολογία υπάρχει εδώ και τρεις δεκαετίες αφότου ανακαλύφθηκε επίσημα το 3, μόλις πρόσφατα δόθηκε στο προσκήνιο και στη δημοτικότητα επειδή δεν είναι απλώς ένα μέσο παραγωγής πρωτοτύπων αλλά μάλλον προσφέρει πλήρη λειτουργικά εξαρτήματα. Τέτοια είναι η δυνατότητα των δυνατοτήτων του 3D εκτυπώνοντας ότι τώρα οδηγεί σε σημαντικές καινοτομίες σε πολλούς τομείς, όπως η μηχανική, η μεταποίηση και η ιατρική.
Διατίθενται διάφοροι τύποι μεθόδων παραγωγής πρόσθετων που ακολουθούν τα ίδια βήματα για να επιτευχθεί το τελικό τελικό αποτέλεσμα. Στο πρώτο κρίσιμο βήμα, ο σχεδιασμός δημιουργείται χρησιμοποιώντας λογισμικό CAD (Computer-Aided-Design) σε υπολογιστή – που ονομάζεται ψηφιακό σχεδιάγραμμα. Αυτό το λογισμικό μπορεί να προβλέψει πώς θα εξελιχθεί η τελική δομή και επίσης να συμπεριφερθεί, επομένως αυτό το πρώτο βήμα είναι ζωτικής σημασίας για ένα καλό αποτέλεσμα. Αυτό το σχέδιο CAD στη συνέχεια μετατρέπεται σε μια τεχνική μορφή (που ονομάζεται αρχείο .stl ή τυπική γλώσσα tessellation) που απαιτείται για να μπορεί ο τρισδιάστατος εκτυπωτής να ερμηνεύει οδηγίες σχεδίασης. Στη συνέχεια, ο τρισδιάστατος εκτυπωτής πρέπει να ρυθμιστεί (παρόμοιος με έναν κανονικό 3D εκτυπωτή, οικιακού ή γραφείου) για την πραγματική εκτύπωση – αυτό περιλαμβάνει τη διαμόρφωση του μεγέθους και του προσανατολισμού, την επιλογή οριζόντιων ή κατακόρυφων εκτυπώσεων, το γέμισμα των δοχείων του εκτυπωτή με τη σωστή πούδρα . ο εκτυπωτή 3D στη συνέχεια ξεκινά η διαδικασία εκτύπωσης, δημιουργώντας σταδιακά το σχέδιο ένα μικροσκοπικό στρώμα του υλικού κάθε φορά. Αυτό το στρώμα έχει συνήθως πάχος περίπου 0.1 mm, αν και μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να ταιριάζει σε ένα συγκεκριμένο αντικείμενο που εκτυπώνεται. Η όλη διαδικασία είναι ως επί το πλείστον αυτοματοποιημένη και δεν απαιτείται φυσική παρέμβαση, παρά μόνο περιοδικοί έλεγχοι για τη διασφάλιση της σωστής λειτουργικότητας. Ένα συγκεκριμένο αντικείμενο χρειάζεται αρκετές ώρες έως μέρες για να ολοκληρωθεί, ανάλογα με το μέγεθος και την πολυπλοκότητα του σχεδίου. Επιπλέον, δεδομένου ότι είναι μια «προσθετική» μεθοδολογία, είναι οικονομική, φιλική προς το περιβάλλον (χωρίς σπατάλη) και παρέχει επίσης πολύ μεγαλύτερο πεδίο για σχέδια.
Το επόμενο επίπεδο: 3D Bioprinting
Βιοτυπία είναι μια επέκταση της παραδοσιακής τρισδιάστατης εκτύπωσης με τις πρόσφατες εξελίξεις που επιτρέπουν την εφαρμογή της τρισδιάστατης εκτύπωσης σε βιολογικά ζωντανά υλικά. Ενώ η τρισδιάστατη εκτύπωση inkjet χρησιμοποιείται ήδη για την ανάπτυξη και την κατασκευή προηγμένων ιατρικών συσκευών και εργαλείων, χρειάζεται να αναπτυχθεί ένα βήμα περαιτέρω για την εκτύπωση, την προβολή και την κατανόηση των βιολογικών μορίων. Η κρίσιμη διαφορά είναι ότι σε αντίθεση με την εκτύπωση inkjet, η βιοεκτύπωση βασίζεται στη βιομελάνη, η οποία αποτελείται από δομές ζωντανών κυττάρων. Έτσι, στη βιοεκτύπωση, όταν εισάγεται ένα συγκεκριμένο ψηφιακό μοντέλο, ο συγκεκριμένος ζωντανός ιστός εκτυπώνεται και δημιουργείται στρώμα προς κυτταρικό στρώμα. Λόγω των εξαιρετικά πολύπλοκων κυτταρικών συστατικών του ζωντανού σώματος, η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση προχωρά αργά και πολυπλοκότητες όπως η επιλογή υλικών, κυττάρων, παραγόντων, ιστών θέτουν πρόσθετες διαδικαστικές προκλήσεις. Αυτές οι πολυπλοκότητες μπορούν να αντιμετωπιστούν με τη διεύρυνση της κατανόησης με την ενσωμάτωση τεχνολογιών από διεπιστημονικά πεδία π.χ. βιολογία, φυσική και ιατρική.
Σημαντική πρόοδος στη βιοεκτύπωση
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στην Προηγμένα λειτουργικά υλικά, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια τεχνική τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης που χρησιμοποιεί κύτταρα και μόρια που βρίσκονται συνήθως σε φυσικούς ιστούς (το εγγενές περιβάλλον τους) για να δημιουργήσουν κατασκευές ή σχέδια που μοιάζουν με «πραγματικές» βιολογικές δομές. Αυτή η συγκεκριμένη τεχνική βιοεκτύπωσης συνδυάζει τη «μοριακή αυτοσυναρμολόγηση» με την «τρισδιάστατη εκτύπωση» για τη δημιουργία πολύπλοκων βιομοριακών δομών. Η μοριακή αυτοσυναρμολόγηση είναι μια διαδικασία με την οποία τα μόρια υιοθετούν από μόνα τους μια καθορισμένη διάταξη για να εκτελέσουν μια συγκεκριμένη εργασία. Αυτή η τεχνική ενσωματώνει «μικρο- και μακροσκοπικό έλεγχο των δομικών χαρακτηριστικών» που παρέχει η «3D εκτύπωση» με τον «έλεγχο μοριακής και νανοκλίμακας» που ενεργοποιείται από τη «μοριακή αυτοσυναρμολόγηση». Χρησιμοποιεί τη δύναμη της μοριακής αυτοσυναρμολόγησης για να διεγείρει τα κύτταρα που εκτυπώνονται, κάτι που κατά τα άλλα αποτελεί περιορισμό στην τρισδιάστατη εκτύπωση όταν η κανονική «μελάνη 3D εκτύπωσης» δεν παρέχει αυτό το μέσο για αυτό.
Οι ερευνητές «ενσωμάτωσαν» δομές σε «βιομελάνη» που μοιάζει με το φυσικό τους περιβάλλον μέσα στο σώμα, κάνοντας τις δομές να συμπεριφέρονται όπως θα συμπεριφέρονται στο σώμα. Αυτή η βιο-μελάνη, που ονομάζεται επίσης μελάνι αυτοσυναρμολόγησης, βοηθά στον έλεγχο ή τη ρύθμιση των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων κατά τη διάρκεια και μετά την εκτύπωση, κάτι που στη συνέχεια επιτρέπει την ανάλογη διέγερση της συμπεριφοράς των κυττάρων. Ο μοναδικός μηχανισμός όταν εφαρμόζεται σε βιοεκτύπωση μας επιτρέπει να κάνουμε παρατηρήσεις για το πώς λειτουργούν αυτά τα κύτταρα στο περιβάλλον τους, δίνοντάς μας έτσι μια στιγμιότυπο και κατανόηση του πραγματικού βιολογικού σεναρίου. Αυξάνει τη δυνατότητα κατασκευής τρισδιάστατων βιολογικών δομών με την εκτύπωση πολλαπλών τύπων βιομορίων ικανών να συναρμολογηθούν σε καλά καθορισμένες δομές σε πολλαπλές κλίμακες.
Το μέλλον είναι πολύ ελπιδοφόρο!
Η έρευνα στη βιοεκτύπωση χρησιμοποιείται ήδη για τη δημιουργία διαφορετικών τύπων ιστών και επομένως μπορεί να είναι πολύ σημαντική για τη μηχανική ιστών και την αναγεννητική ιατρική για την αντιμετώπιση της ανάγκης για ιστούς και όργανα κατάλληλα για μεταμόσχευση – δέρμα, οστά, μοσχεύματα, καρδιακό ιστό κ.λπ. Επιπλέον, η τεχνική ανοίγει ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων σχεδιασμού και δημιουργίας βιολογικών σεναρίων όπως πολύπλοκα και συγκεκριμένα κυτταρικά περιβάλλοντα για να επιτρέψει την ευημερία της μηχανικής ιστών δημιουργώντας στην πραγματικότητα αντικείμενα ή κατασκευές -υπό ψηφιακό έλεγχο και με μοριακή ακρίβεια- που μοιάζουν ή μιμούνται ιστούς στο σώμα. Τα μοντέλα ζωντανών ιστών, οστών, αιμοφόρων αγγείων και, ενδεχομένως και ολόκληρων οργάνων, είναι δυνατόν να δημιουργηθούν για ιατρικές διαδικασίες, εκπαίδευση, δοκιμές, έρευνα και πρωτοβουλίες ανακάλυψης φαρμάκων. Πολύ συγκεκριμένη γενιά εξατομικευμένων κατασκευών για συγκεκριμένους ασθενείς μπορεί να βοηθήσει στο σχεδιασμό ακριβών, στοχευμένων και εξατομικευμένων θεραπειών.
Ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια για τη βιοεκτύπωση και την εκτύπωση 3D inkjet γενικά ήταν η ανάπτυξη ενός προηγμένου, εξελιγμένου λογισμικού για να ανταποκριθεί στην πρόκληση στο πρώτο βήμα της εκτύπωσης – τη δημιουργία ενός κατάλληλου σχεδίου ή σχεδίου. Για παράδειγμα, το σχέδιο των μη ζωντανών αντικειμένων μπορεί να δημιουργηθεί εύκολα, αλλά όταν πρόκειται για τη δημιουργία ψηφιακών μοντέλων, ας πούμε, ενός ήπατος ή μιας καρδιάς, είναι δύσκολο και όχι απλό όπως τα περισσότερα υλικά αντικείμενα. Η βιοεκτύπωση έχει σίγουρα πολλά πλεονεκτήματα – ακριβή έλεγχο, επαναληψιμότητα και ατομικό σχεδιασμό, αλλά εξακολουθεί να μαστίζεται από πολλές προκλήσεις – η πιο σημαντική είναι η συμπερίληψη πολλαπλών τύπων κυττάρων σε μια χωρική δομή, καθώς ένα περιβάλλον διαβίωσης είναι δυναμικό και όχι στατικό. Αυτή η μελέτη συνέβαλε στην πρόοδο της τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης και πολλά εμπόδια μπορούν να αρθούν ακολουθώντας τις αρχές τους. Είναι σαφές ότι η πραγματική επιτυχία της βιοεκτύπωσης έχει πολλές πτυχές που συνδέονται με αυτήν. Η πιο κρίσιμη πτυχή που μπορεί να ενισχύσει τη βιοεκτύπωση είναι η ανάπτυξη σχετικών και κατάλληλων βιοϋλικών, η βελτίωση της ανάλυσης της εκτύπωσης και επίσης η αγγείωση ώστε να είναι δυνατή η επιτυχής εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας κλινικά. Φαίνεται αδύνατο να «δημιουργηθούν» πλήρως λειτουργικά και βιώσιμα όργανα για ανθρώπινη μεταμόσχευση με βιοεκτύπωση, αλλά παρόλα αυτά ο τομέας αυτός προχωρά γρήγορα και πολλές εξελίξεις βρίσκονται στο προσκήνιο τώρα σε λίγα μόλις χρόνια. Θα πρέπει να είναι εφικτό να ξεπεραστούν οι περισσότερες από τις προκλήσεις που συνδέονται με τη βιοεκτύπωση, καθώς οι ερευνητές και οι βιοϊατρικοί μηχανικοί βρίσκονται ήδη στο δρόμο προς την επιτυχημένη σύνθετη βιοεκτύπωση.
Μερικά προβλήματα με τη βιοεκτύπωση
Ένα κρίσιμο σημείο που τίθεται στον τομέα της βιοεκτύπωσης είναι ότι είναι σχεδόν αδύνατο σε αυτό το στάδιο να δοκιμαστεί η αποτελεσματικότητα και η ασφάλεια οποιωνδήποτε βιολογικών «εξατομικευμένων» θεραπειών που προσφέρονται σε ασθενείς που χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνική. Επίσης, το κόστος που σχετίζεται με τέτοιες θεραπείες είναι ένα μεγάλο ζήτημα ειδικά όσον αφορά την κατασκευή. Αν και είναι πολύ πιθανό να αναπτυχθούν λειτουργικά όργανα που μπορούν να αντικαταστήσουν τα ανθρώπινα όργανα, αλλά ακόμη και τότε, δεν υπάρχει επί του παρόντος κανένας ανόητος τρόπος για να εκτιμηθεί εάν το σώμα του ασθενούς θα δεχτεί νέο ιστό ή το τεχνητό όργανο που δημιουργείται και εάν τέτοιες μεταμοσχεύσεις θα είναι επιτυχείς σε όλα.
Η βιοεκτύπωση είναι μια αναπτυσσόμενη αγορά και θα επικεντρωθεί στην ανάπτυξη ιστών και οργάνων και ίσως σε μερικές δεκαετίες να φανούν νέα αποτελέσματα σε τρισδιάστατα εκτυπωμένα ανθρώπινα όργανα και μεταμοσχεύσεις. 3D βιοεκτύπωση θα συνεχίσει να είναι η πιο σημαντική και σχετική ιατρική εξέλιξη της ζωής μας.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
Hedegaard CL 2018. Υδροδυναμικά καθοδηγούμενη Ιεραρχική Αυτοσυναρμολόγηση πεπτιδικών-πρωτεϊνικών βιοϊνκ. Προηγμένα λειτουργικά υλικά. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
