QUẢNG CÁO

Xây dựng các cấu trúc sinh học 'thực' bằng cách sử dụng in sinh học 3D

Trong một tiến bộ lớn trong kỹ thuật in sinh học 3D, các tế bào và mô đã được tạo ra để hoạt động giống như trong môi trường tự nhiên của chúng để tạo ra các cấu trúc sinh học 'thực sự'

In 3D là một quy trình trong đó vật liệu được thêm vào với nhau và do đó được kết hợp hoặc cố định dưới sự điều khiển kỹ thuật số của máy tính để tạo ra một đối tượng hoặc thực thể ba chiều. Tạo mẫu nhanh và sản xuất phụ gia là các thuật ngữ khác được sử dụng để mô tả kỹ thuật tạo ra các đối tượng hoặc thực thể phức tạp bằng cách xếp lớp vật liệu và xây dựng dần dần - hoặc đơn giản là một phương pháp 'phụ gia'. Công nghệ đáng chú ý này đã tồn tại được ba thập kỷ sau khi chính thức được phát hiện vào năm 1987, chỉ gần đây nó mới được chú ý và trở nên phổ biến vì không chỉ là một phương tiện sản xuất nguyên mẫu mà còn cung cấp các thành phần chức năng đầy đủ. Đó là tiềm năng của các khả năng 3D in rằng nó hiện đang thúc đẩy những đổi mới lớn trong nhiều lĩnh vực bao gồm kỹ thuật, sản xuất và y học.

Có sẵn các loại phương pháp sản xuất phụ gia khác nhau tuân theo các bước giống nhau để đạt được kết quả cuối cùng. Trong bước quan trọng đầu tiên, thiết kế được tạo bằng phần mềm CAD (Computer-Aided-Design) trên máy tính - được gọi là bản thiết kế kỹ thuật số. Phần mềm này có thể dự đoán cấu trúc cuối cùng sẽ diễn ra như thế nào và cũng hoạt động như thế nào, do đó bước đầu tiên này rất quan trọng để có kết quả tốt. Thiết kế CAD này sau đó được chuyển đổi thành một định dạng kỹ thuật (được gọi là tệp .stl hoặc ngôn ngữ tessellation tiêu chuẩn) được yêu cầu để máy in 3D có thể diễn giải các hướng dẫn của thiết kế. Tiếp theo, máy in 3D cần được thiết lập (tương tự như máy in 2D thông thường, gia đình hoặc văn phòng) để in thực tế - điều này bao gồm định cấu hình kích thước và hướng, chọn cho bản in ngang hoặc dọc, đổ đầy hộp mực máy in bằng bột phù hợp . Các máy in 3D sau đó bắt đầu quá trình in, dần dần xây dựng thiết kế từng lớp siêu nhỏ của vật liệu tại một thời điểm. Lớp này thường có độ dày khoảng 0.1mm mặc dù nó có thể được tùy chỉnh để phù hợp với một đối tượng cụ thể đang được in. Toàn bộ quy trình hầu hết được tự động hóa và không cần can thiệp vật lý, chỉ kiểm tra định kỳ để đảm bảo chức năng chính xác. Một đối tượng cụ thể mất vài giờ đến vài ngày để hoàn thành, tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của thiết kế. Hơn nữa, vì nó là một phương pháp 'phụ gia', nó tiết kiệm, thân thiện với môi trường (không lãng phí) và cũng cung cấp phạm vi lớn hơn nhiều cho các thiết kế.

Cấp độ tiếp theo: In sinh học 3D

In sinh học là một phần mở rộng của in 3D truyền thống với những tiến bộ gần đây cho phép in 3D được áp dụng cho các vật liệu sống sinh học. Mặc dù in phun 3D đã được sử dụng để phát triển và sản xuất các thiết bị và công cụ y tế tiên tiến, nhưng cần phải phát triển thêm một bước nữa để in, xem và hiểu các phân tử sinh học. Sự khác biệt quan trọng là không giống như in phun, in sinh học dựa trên mực sinh học, bao gồm các cấu trúc tế bào sống. Vì vậy, trong in bioprinting, khi một mô hình kỹ thuật số cụ thể được nhập vào, mô sống cụ thể sẽ được in và xây dựng từng lớp từng lớp tế bào. Do các thành phần tế bào rất phức tạp của cơ thể sống, quá trình in sinh học 3D đang tiến triển chậm và sự phức tạp như lựa chọn vật liệu, tế bào, yếu tố, mô đang đặt ra thêm những thách thức về quy trình. Những phức tạp này có thể được giải quyết bằng cách mở rộng hiểu biết bằng cách tích hợp các công nghệ từ các lĩnh vực liên ngành như sinh học, vật lý và y học.

Tiến bộ chính trong in sinh học

Trong một nghiên cứu công bố Vật liệu chức năng nâng cao, các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật in sinh học 3D sử dụng các tế bào và phân tử thường được tìm thấy trong các mô tự nhiên (môi trường tự nhiên của chúng) để tạo ra các cấu trúc hoặc thiết kế giống với cấu trúc sinh học 'thực'. Kỹ thuật in sinh học đặc biệt này kết hợp 'tự lắp ráp phân tử' với 'in 3D' để tạo ra các cấu trúc phân tử sinh học phức tạp. Tự lắp ráp phân tử là một quá trình mà các phân tử tự áp dụng một cách sắp xếp xác định để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Kỹ thuật này tích hợp 'điều khiển vi mô và vĩ mô đối với các đặc điểm cấu trúc' mà 'in 3D' cung cấp với 'điều khiển quy mô phân tử và nano' được kích hoạt bởi 'tự lắp ráp phân tử'. Nó sử dụng sức mạnh của quá trình tự lắp ráp phân tử để kích thích các tế bào đang được in, đây là một hạn chế trong in 3D khi 'mực in 3D thông thường' không cung cấp phương tiện này cho việc này.

Các nhà nghiên cứu đã 'nhúng' các cấu trúc vào 'mực sinh học' tương tự như môi trường tự nhiên của chúng bên trong cơ thể, khiến các cấu trúc này hoạt động giống như trong cơ thể. Loại mực sinh học này, còn được gọi là mực tự lắp ráp, giúp kiểm soát hoặc điều chỉnh các đặc tính vật lý và hóa học trong và sau khi in, từ đó cho phép kích thích hoạt động của tế bào tương ứng. Cơ chế độc đáo khi áp dụng in sinh học cho phép chúng tôi thực hiện các quan sát về cách các tế bào này hoạt động trong môi trường của chúng, từ đó cung cấp cho chúng tôi ảnh chụp nhanh và hiểu biết về kịch bản sinh học thực tế. Nó tăng khả năng xây dựng các cấu trúc sinh học 3D bằng cách in nhiều loại phân tử sinh học có khả năng tập hợp thành các cấu trúc được xác định rõ ở nhiều quy mô.

Tương lai rất hy vọng!

Nghiên cứu in sinh học đã được sử dụng để tạo ra các loại mô khác nhau và do đó có thể rất quan trọng đối với kỹ thuật mô và y học tái tạo để giải quyết nhu cầu về mô và cơ quan thích hợp để cấy ghép - da, xương, mô ghép, mô tim, v.v. Hơn nữa, kỹ thuật này mở ra nhiều khả năng thiết kế và tạo ra các kịch bản sinh học như môi trường tế bào phức tạp và cụ thể để tạo ra sự thịnh vượng của kỹ thuật mô bằng cách thực sự tạo ra các đối tượng hoặc cấu trúc - dưới sự điều khiển kỹ thuật số và với độ chính xác phân tử - giống hoặc bắt chước các mô trong cơ thể. Các mô hình sống, xương, mạch máu và các cơ quan tiềm năng và toàn bộ mô hình có thể được tạo ra cho các thủ tục y tế, đào tạo, thử nghiệm, nghiên cứu và các sáng kiến ​​khám phá thuốc. Thế hệ rất cụ thể của các cấu trúc tùy chỉnh dành riêng cho từng bệnh nhân có thể giúp thiết kế các phương pháp điều trị chính xác, nhắm mục tiêu và cá nhân hóa.

Một trong những trở ngại lớn nhất đối với in sinh học và in phun 3D nói chung là việc phát triển một phần mềm tiên tiến, phức tạp để đáp ứng thách thức ở bước đầu tiên của quá trình in - tạo ra một thiết kế hoặc bản thiết kế phù hợp. Ví dụ, bản thiết kế của các vật thể không sống có thể được tạo dễ dàng nhưng khi nói đến việc tạo ra các mô hình kỹ thuật số, chẳng hạn như gan hoặc tim, nó đầy thách thức và không đơn giản như hầu hết các vật thể vật chất. In sinh học chắc chắn có vô số lợi thế - điều khiển chính xác, khả năng lặp lại và thiết kế riêng lẻ nhưng vẫn gặp phải một số thách thức - thách thức quan trọng nhất là bao gồm nhiều loại tế bào trong một cấu trúc không gian vì môi trường sống là động chứ không phải tĩnh. Nghiên cứu này đã góp phần vào sự tiến bộ của in sinh học 3D và rất nhiều trở ngại có thể được loại bỏ bằng cách tuân theo các nguyên tắc của chúng. Rõ ràng là thành công thực sự của in sinh học có một số khía cạnh gắn liền với nó. Khía cạnh quan trọng nhất có thể tạo sức mạnh cho quá trình in sinh học là phát triển các vật liệu sinh học phù hợp và phù hợp, nâng cao độ phân giải của quá trình in và cũng làm giãn mạch để có thể ứng dụng thành công công nghệ này trên lâm sàng. Dường như không thể 'tạo ra' các cơ quan hoạt động đầy đủ và khả thi để cấy ghép cho người bằng cách in sinh học nhưng tuy nhiên lĩnh vực này đang tiến triển nhanh chóng và nhiều phát triển đang được đặt lên hàng đầu hiện nay chỉ trong vài năm tới. Nó có thể đạt được để vượt qua hầu hết các thách thức liên quan đến in sinh học vì các nhà nghiên cứu và kỹ sư y sinh đã và đang trên con đường thành công trong quá trình in sinh học phức tạp.

Một số vấn đề với Bioprinting

Một điểm quan trọng được nêu ra trong lĩnh vực in sinh học là ở giai đoạn này hầu như không thể kiểm tra hiệu quả và độ an toàn của bất kỳ phương pháp điều trị 'cá nhân hóa' sinh học nào được cung cấp cho bệnh nhân sử dụng kỹ thuật này. Ngoài ra, chi phí liên quan đến các phương pháp điều trị như vậy là một vấn đề lớn, đặc biệt là khi sản xuất có liên quan. Mặc dù rất có thể phát triển các cơ quan chức năng có thể thay thế các cơ quan của con người, nhưng ngay cả khi đó, hiện tại vẫn chưa có bằng chứng xác thực để đánh giá liệu cơ thể bệnh nhân có chấp nhận mô mới hay cơ quan nhân tạo được tạo ra hay không và liệu những ca cấy ghép như vậy có thành công hay không. tất cả.

In sinh học là một thị trường đang phát triển và sẽ tập trung vào sự phát triển của các mô và cơ quan và có thể trong một vài thập kỷ nữa, các kết quả mới sẽ được chứng kiến ​​trong các bộ phận và cấy ghép in 3D của con người. 3D in sinh học sẽ tiếp tục là sự phát triển y tế quan trọng và phù hợp nhất trong cuộc đời của chúng ta.

***

{Bạn có thể đọc tài liệu nghiên cứu gốc bằng cách nhấp vào liên kết DOI đưa ra bên dưới trong danh sách (các) nguồn được trích dẫn}

Nguồn

Hedegaard CL 2018. Tự lắp ráp phân cấp có hướng dẫn thủy động của các liên kết sinh học peptit-protein. Vật liệu chức năng nâng caohttps://doi.org/10.1002/adfm.201703716

Nhóm SCIEU
Nhóm SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Khoa học Châu Âu® | SCIEU.com | Những tiến bộ đáng kể của khoa học. Tác động đến loài người. Đầu óc đầy cảm hứng.

Theo dõi bản tin của chúng tôi

Để được cập nhật tất cả các tin tức mới nhất, ưu đãi và thông báo đặc biệt.

Hầu hết các bài viết được ưa thích

Phôi tổng hợp sẽ sử dụng trong kỷ nguyên của các cơ quan nhân tạo?   

Các nhà khoa học đã mô phỏng lại quá trình phôi thai tự nhiên của động vật có vú ...

Làm thế nào để biến thể Omicron của COVID-19 có thể có Arisen?

Một trong những tính năng bất thường và hấp dẫn nhất của ...

mRNA-1273: Thuốc chủng ngừa mRNA của Moderna Inc. chống lại Coronavirus mới cho thấy kết quả tích cực

Một công ty công nghệ sinh học, Moderna, Inc. đã thông báo rằng 'mRNA-1273', ...
- Quảng cáo -
94,557Người hâm mộNhư
47,690Người theo dõiTheo
1,772Người theo dõiTheo
30Thuê baoTheo dõi