Biodruk 3d

Biodruk 3D – jak produkuje się narządy

Brakująca liczba dawców narządów posunęła świat nauki w celu znalezienia alternatywy dla transplantologii. W ciągu ostatnich dekad badacze w dziedzinie medycyny regeneracyjnej i inżynierii tkankowej zajęli się produkcją tkanek i narządów do przeszczepów.

Prace ewoluowały, aby stworzyć coś, co uważamy za nową dziedzinę – inżynierię regeneracyjną, definiowaną jako konwergencja zaawansowanej nauki o materiałach, komórkach macierzystych i biologii rozwoju w kierunku biodrukowania narządów.

 

Biodruk – biologia i druk

Biodrukowanie to obiecująca technologia wytwarzania złożonych, heterokomórkowych struktur z anatomiczną precyzją. Jest używane do przygotowywania chociażby kości, ale również chrząstki, skóry, rogówki czy całych narządów (wątroby, płuc, nerek czy trzustki).

Ma na celu złagodzenie przeszkód związanych z konwencjonalnymi metodami inżynierii tkankowej poprzez precyzyjne i kontrolowane łączenie biomateriałów warstwa po warstwie w pożądany wzór 3D. Mówiąc krótko, biodrukowanie 3D można zdefiniować jako proces manipulowania komórkami stanowiącymi biotusze w celu wytworzenia żywych struktur.

 

Biodruk – etapy drukowania narządów

Początkowy etap: wizualizacja i pozyskanie komórek

Na początku badacze skanują (za pomocą diagnostyki obrazowej) narząd pacjenta, by określić spersonalizowany rozmiar i kształt. Aby wydrukować tkanki, naukowcy muszą zdeponować komórki specyficzne dla budowanego przez siebie organu.

Komórki są pobierane od pacjenta, a następnie hodowane, tak żeby układ odpornościowy mógł rozpoznać je jako własne i aby uniknąć odrzucenia immunologicznego i konieczności przyjmowania leków immunosupresyjnych. Takie narządy mogłyby potencjalnie zostać zbudowane z komórek macierzystych bądź indukowanych, pluripotencjalnych komórek macierzystych, ale jednym z wyzwań jest skłonienie komórek do różnicowania się w podtyp dojrzałej komórki, która jest potrzebna do zbudowania określonego narządu.

Kolejny etap: utworzenie matriks

Żeby stworzyć warunki sprzyjające najszybszemu i najbardziej wydajnemu wzrostowi komórek, naukowcy „sadzą” komórki wśród trójwymiarowych rusztowań wykonanych z biodegradowalnych polimerów (czyli tzw. mikrożelu). Komórki, aby przeżyć potrzebują też dobrego środowiska: pożywienia, wody i tlenu – warunki te zapewnia biokompatybilne rusztowanie.  Gdy komórki urosną i zorganizują się warstwowo, zamieniając się w działający narząd, organ zostaje wszczepiony pacjentowi. Kiedy lekarze ostatecznie umieszczą organ w ciele pacjenta, a nośnik powoli znika.

źródło: theconversation.com

Metody biodruku

Istnieje kilka różnych metod biodruku, które można używać do tworzenia wzorów biomateriałów. Najpopularniejsze metody to druk atramentowy, laserowy lub ekstruzyjny.

Aktualnie najczęściej stosowaną formą biodruku jest właśnie ekstruzja – przy pomocy komputera wytłacza się z kartridża (strzykawki) biotusz z komórkami, który układa się we warstwy tworząc model 3D. W trakcie druku można kontrolować warunki fizyko-chemiczne takie jak: temperatura, ciśnienie, wartość pH co jest niezbędnym elementem pozwalającym wpływać na strukturę biotuszu po wydruku.

biodruk elementum

 

Gdzie można jeszcze wykorzystać biodruk?

Możemy skupić się również na innych obszarach zastosowań biologicznego druku 3D na przykład:

  • badaniach nad nowotworami,
  • testach leków,
  • implantologii stomatologicznej,
  • wysokowydajnych badaniach przesiewowych,
  • jako alternatywa dla systemu hodowli 2D lub badań na zwierzętach, modele tkanek/narządów 3D zyskały popularność jako platforma do badania patofizjologii czy służąc jako źródło dydaktyczne dla studentów.

Jak można polepszyć biodrukowanie?

Mimo, że biodruk 3D rozwija się w godnym pochwały tempie, a naukowcy próbują opracować nowe metody drukowania, a także ulepszyć istniejące, wciąż pozostaje wiele wyzwań… Oto one:

  • Obecnie istnieje ograniczona liczba tuszów biologicznych, które nadają się zarówno do biodruku, jak i dokładnie odzwierciedlają architekturę tkanki potrzebną do przywrócenia funkcji narządu po wydrukowaniu.
  • Podczas gdy biotusze wykonane z hydrożeli pochodzenia naturalnego sprzyjają wzrostowi komórek, syntetyczne hydrożele są odporne mechanicznie. Dlatego też biotusze hybrydowe powinny być zaprojektowane tak, aby łączyć wszystkie te aspekty.
  • Ponadto sam proces biodruku musi być bardziej przyjazny dla komórek. Naprężenie ścinające przyłożone do komórek podczas procesu drukowania jest szkodliwe dla wzrostu komórek i może nawet zmienić profile ekspresji genów.
  • Kolejną poważną przeszkodą jest waskularyzacja (czyli: unaczynienie) konstruktów wykonanych w celu prawidłowej wymiany składników odżywczych i gazów. Ogólnie rzecz biorąc, biodrukowanie 3D to szybko rozwijająca się dziedzina badań, z ogromnymi wyzwaniami, ale o ogromnym potencjale do zrewolucjonizowania współczesnej medycyny spersonalizowanej i opieki zdrowotnej.

Zachęcamy również do przeczytania naszego artykułu w temacie wirusów na ELEMENTUM pt.: “O wirusie, który dzierży koronę“, a także jeśli zainteresował Cię temat i chciałbyś dowiedzieć się więcej to zapraszamy do umówienia się na lekcję z biologii do naszego eksperta!

Drodzy czytelnicy!

  • Napiszcie w komentarzu, czy temat jest dla Was ciekawy!
  • Gdybyście mieli do tej treści pytania, albo chcieli poznać więcej szczegółów o zastosowaniach biodruku 3d to piszcie do nas na adres: elementum.edu@gmail.com
  • A tym czasem ELEMENTUM życzy Wam udanego dnia!! I dużo fascynacji z odkrywania biologii 🙂

Na koniec pamiętaj o tym…

  • aby być na bieżąco z naukową wiedzą śledź nasz fanpage FB.

 

Autor: Katarzyna Kowalska, ELEMENTUM

Bibliografia

Cho DW., Kim BS., Jang J. I wsp. (2019) 3D Bioprinting Techniques, 3D Bioprinting 25-29

Datta P., Ayan B., Ozbolat IT (2017) Bioprinting for vascular and vascularized tissue biofabrication, Acta Biomater 15;51:1-20.

Dey M., Ozbolat IT. (2020) 3D bioprinting of cells, tissues and organs, Sci Rep 10, 14023

Gu Z., Fu J., Lin H. i wsp. (2020) Development of 3D bioprinting: From printing methods to biomedical applications, Asian J Pharm Sci 15(5):529-557

Liu F., Wang X. (2020) Synthetic Polymers for Organ 3D Printing, Polymers (Basel) 12(8):1765

Matai I., Kaur G., Seyedsalehi A. i wsp. (2020) Progress in 3D bioprinting technology for tissue/organ regenerative engineering, Biomaterials 226:119536.

Radenkovic D., Solouk A., Seifalian A. (2016) Personalized development of human organs using 3D printing technology, Med Hypotheses 87:30-3.

Xia Z., Jin S., Ye K. (2018) Tissue and Organ 3D Bioprinting, SLAS Technol 23(4):301-314

brinter.com

geneonline.news

medicalfuturist.com

theconversation.com

the-scientist.com

Maciej Młodziejewski jest przedsiębiorcą a także nauczycielem i trenerem.
Ukończył studia magisterskie z chemii. Od kilku lat współpracuje z uczniami, którzy chcą lepiej zrozumieć fascynującą naturę chemii i realizować swoje marzenia dostając się na wybrane kierunki.

Autor licznych artykułów o tematyce popularno-naukowej z chemii oraz zadań chemicznych. Przygotowuje uczniów do egzaminu maturalnego oraz egzaminów z chemii na uniwersytetach medycznych, przyrodniczych itd.

Posiada doświadczenie wieloletniej pracy z uczniami na każdym poziomie niezależnie od wieku, a także 5-letni staż pracy w laboratorium zakładu chemii bionieorganicznej oraz laboratorium przemysłu paliw lotniczych.

Jego pasją są sztuki walki. Uwielbia pomagać ludziom, motywować ich do działania i samorealizacji. Nie boi się wyzwań i uważa, że najlepszym przewidywaniem przyszłości jest tworzenie jej.

    Komentarze

  1. Rafał Mendyk

    Bardzo ciekawy artykuł. Już wcześniej słyszałem o drukowaniu jedzenia lub drukowaniu domów (budynków), ale nie myślałem ze drukowanie 3D zaszło już tak daleko. Chodź uważam że to wciąż zbyt niebezpiecznie, szczególnie ze względu na fakt że unaczynienie wydrukowanych narządów nie jest jeszcze dopracowane, z pewnością to duży krok w przód.

Napisz komentarz

Subskrypcja

Dołącz do naszej listy mailingowej, aby otrzymywać najnowsze wiadomości i aktualizacje od naszego zespołu i odbierz prezent.

Dziękujemy za zapisanie się na naszą subskrypcję!