Биологические 3D принтеры

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«МИРЭА - Российский технологический университет»

РТУ МИРЭА

Институт кибернетики

Кафедра биокибернетических систем и технологий

Реферат на тему:

«Биологические 3D принтеры»

Москва, 2021

Содержание

технология биопринтинг биопечать гидрогель

Введение

1. Определение понятия 3D-биопринтинга

2. Гидрогели, часто используемые в 3D-биопечати

2.1 Альгинат натрия

2.2 Хитозан

2.3 Желатин

2.4 Гиалуроновая кислота

3. Основные технологии 3D-биопечати

3.1 Струйная биопечать

3.2 Микроэкструзионная биопечать

3.3 Лазер-опосредованная биопечать

Заключение

Список использованных источников

Введение

3D-биопечать (биопринтинг технология) -- биоматериалы, такие как клетки и факторы роста, объединяются в тканеобразные структуры, имитирующие естественные ткани. Это одна из областей применения 3д печати. 3D-биопечать использует материал, известный как bioink (биочернила), для создания этих структур послойно. Методика широко применяется в областях медицины, биоинженерии и, например, в пищевой промышленности. В последнее время технология даже достигла прогресса в производстве хрящевой ткани для использования в реконструкции и регенерации.

3D-биопечать используется для изготовления искусственных трехмерных тканей и органов и широко применяется при изготовлении стентов для тканевой инженерии. По сравнению с традиционными методами посева после изготовления стента, технология 3D-биопечати непосредственно осаждает смесь клеток и биологических материалов и смешивает клетки в модели стента в процессе изготовления стента.

По сути, биопечать работает аналогично обычной 3D-печати. В этом случае, однако, вместо термопласта или смолы используется суспензия живых клеток.

По этой причине для оптимизации жизнеспособности ячеек и достижения разрешения печати, соответствующего правильной структуре матрицы ячеек, необходимо поддерживать стерильные условия печати. Это обеспечивает точность в сложных тканях, необходимые межклеточные расстояния и правильный выход.

3D-биопечать в основном включает в себя подготовку, печать, созревание и применение.

1. Определение понятия 3D-биопринтинга

3D-биопринтинг -- технология создания объёмных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати, при которой сохраняются функции и жизнеспособность клеток[1]. Первый патент, относящийся к этой технологии, был подан в США в 2003 году и получен в 2006 году.

Технология 3D-биопринтинга для изготовления биологических конструкций, как правило, включает в себя размещение клеток на биосовместимой основе, с использованием послойного метода генерации трёхмерных структур биологических тканей. Поскольку ткани в организме состоят из различных типов клеток, технологии их изготовления путём 3D-биопринтинга также существенно различаются по их способности обеспечить стабильность и жизнеспособность клеток. Некоторые из методов, которые используются в 3D-биопринтинге -- фотолитография, магнитный биопринтинг, стереолитография, и прямая экструзия клеток. Клеточный материал, изготовленный на биопринтере, переносится в инкубатор, где он проходит дальнейшее выращивание.

2. Гидрогели, часто используемые в 3D-биопечати

Гидрогель является наиболее часто используемыми био-чернилами в биопечати. Это своего рода коллоидный материал, состоящий в основном из влаги, и может образовывать сшитую структуру посредством ковалентной связи. В последние годы гидрогель становится все более популярным в области тканевой инженерии благодаря своей превосходной биосовместимости и биоразлагаемости. Когда клетки запечатаны в гидрогель, его стереоскопическая сетчатая сшитая структура облегчит обмен между клетками и окружающей средой. Гидрогель включает природный гидрогель и синтетический гидрогель. До сих пор гидрогель, используемый в 3D-биопечати, включает в себя натуральный гидрогель, такой как коллаген, альгиновая кислота, агароза и хитозан, и синтетический гидрогель, такой как гиалуроновая кислота и PEGDA и т.д.

2.1 Альгинат натрия

Альгинат натрия - это разновидность полисахарозы, получаемой главным образом из бурых водорослей и бактерий. Он широко используется в 3D-биопечати из-за своей биосовместимости, низкой цены и быстрого геля. Он также используется в различных системах 3D-биопечати благодаря своему свойству мгновенного гелеобразования в растворе ионов кальция (таких как карбонат кальция, хлорид кальция и сульфат кальция). В недавних исследованиях альгинат натрия часто смешивают с другими биологическими материалами [3], которые удобны для формования с благоприятной биологической природой. Кроме того, альгинат натрия низкой концентрации обладает низкой механической способностью, но он полезен для повышения жизнеспособности и пролиферации клеток.

2.2 Хитозан

Хитозан обладает способностью к биодеградации, антибактериальным и стерилизующим свойствам и используется для перевязки ран и т.д. Гидрогель хитозана широко используется в инженерии костей, кожи и хрящевой ткани. Хитозан имеет медленную скорость гелеобразования (10 минут после инъекции) с низкой механической емкостью; поэтому только стент с высокой вязкостью может сохранять форму в течение нескольких часов. Хитозан может быть растворен в растворе кислоты и сшит через ионную и ковалентную связь. Он будет быстро желатинизирован, когда его значение РН увеличится. При условии нейтрального значения РН хитозан, растворенный в воде, будет желатинизирован при температуре 40 °C. В 3D-биопечати хитозан используется для изготовления всех видов стентов и микропроточных каналов.

2.3 Желатин

Желатин обладает превосходной биосовместимостью, гидрофильными свойствами и неиммуногенностью. Он на 100 % биоразлагаем in vivo [4]. Желатин - это своего рода термообратимый гель; он твердый при низкой температуре, и его механические свойства нестабильны в физиологических условиях. Чтобы сделать структуру желатина стабильной при температуре ниже 37 °C, его химические свойства будут изменены. Сшивание произойдет с желатином, модифицированным метакриламидом, с наличием фотоинициатора. Гидрогель метакрилатного комплекса (GelMA) может быть легко экструдирован для формования с помощью ультрафиолетового облучения, которое широко применяется в 3D-биопечати. Печатающие свойства GelMA тесно связаны с концентрацией геля, длительностью ультрафиолетового воздействия и плотностью клеток. Продолжительность и интенсивность ультрафиолетового облучения будут влиять на жизнеспособность клеток, плотность и интенсивность гидрогеля

2.4 Гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота также называется гиалуронатом натрия. Он широко применяется в клиниках в качестве наполнителя кожи и смазки для суставов [5]. Он играет решающую роль в регулировании поведения и функций клеток, таких как распространение клеток, пролиферация, ангиогенез и т.д. В напечатанном на 3D-принтере гидрогеле гиалуроновой кислоты, запечатанном в хрящевой ткани, жизнеспособность клеток выше, чем в гидрогеле коллагена. Однако гиалуроновая кислота обладает плохими механическими свойствами из-за ее быстрой деградации, которую можно улучшить с помощью химической модификации для контроля скорости деградации. По этой причине гиалуроновая кислота не подходит для 3D-биопечати. Тем не менее, сшивание гиалуроновой кислоты может быть реализовано посредством функциональной обработки путем фотоотверждения метилакрилата (МА) для контроля продолжительности фотополимеризации.

3. Основные технологии 3D-биопечати

3.1 Струйная биопечать

Струйные принтеры - это наиболее распространённый тип принтеров, используемыхх в печати в целом и в биопечати в частности. Задаваемые программой количества жидкости подаются на определённые области. Первые принтеры, использовавшиеся для биопечати, представляли собой модифицированные версии обычных двухмерных струйных принтеров, запрвляемых тонером. Тонер в картриджах заменяли биологическим материалом, а бумагу - управляемым электроникой поддоном, контролировавшим положением печатающей головки в оси z. В настоящий момент струйные биопринтеры специально приспособлены правильно хранить и распределять биологические материалы в большем разрешении, точнее и быстрее. Струйные принтеры используют акустические или термальные процессы для выброса капель жидкости (в случае двухмерного принтера - красителя) на субстрат (напр. бумага, уже отпечатанный материал или специальный поддон), который поддерживает и формирует конструкцию конечного продукта.

Во многих струйных принтерах используется пьезоэлектрический кристалл, который создает звуковую волну внутри головки принтера для распыления жидкости на мелкие капли с определенной частотой. Под напряжением, пьезоэлектрический кристалл мгновенно меняет форму, создавая давление, необходимое для выбрасывания капель из сопла. Другие струйные принтеры используют звуковое излучение, создаваемое ультразвуковой волной для выброса капель из воздушно-жидкостной системы. Параметры ультразвука, такие как частота, продолжительность и амплитуда, могут быть отрегулированы для контроля размера капель и частоты выброса. Преимущества акустических струйных принтеров включают в себя возможность создания и соблюдения одинакового размера капель и выбрасывать их, предотвращая воздействие на клетки тепла и давления. Кроме того, избежать вертикального давления, оказываемого на клетку в сопле, позволяет оупен-пулл система, лишенная сопла. Это уменьшает вероятность снижения жизнеспособности и функциональности клетки и позволяет избежать проблемы закупорки сопла. Звуковые экстракторы могут быть сформированы в регулируемый блок из нескольких экстракторов, что облегчает постоянную печать разными типами клеток и тканей. Но даже в этом случае остается трудность, связанная с 15-25Кгц частотами, используемыми пьезоэлектрическими струйными биопринтерами, и их способностью вызывать повреждения мембран и лизис клеток. Струйные биопринтеры также имеют некоторые ограничения по вязкости материалов (в идеале ниже 10), связанные с силой, требуемой для экстракции капель растворов высокой вязкости.

Еще один распространенный недостаток струйных биопринтеров заключается в том, что биологические материалы должны находиться в жидкой форме для образования капелек. Таким образом, перенесенная на бумагу жидкость затем должна сформировать 3D объект со структурной организацией и функциональностью. Наша команда и сторонние исследователи показали, что это ограничение может быть преодолено при использовании материалов, которые могут сшиваться между собой, после наложения, под воздействием химических факторов, кислотности или ультрафиолета. Однако факторы для сшивания обычно замедляют процесс биопечати и вовлекают химические модификации экстрацеллюлярного матрикса структуры, что изменяет его как химические, так и физические функции. К тому же, некоторые механизмы сшивания требуют присутствия токсических веществ или условий, опасных для клетки. Пользователи струйных биопринтеров столкнулись с еще одной проблемой - сложность достижения необходимой биологической плотности клеток. Обычно, низкие концентрации клеток (меньше 10 млн./мл) используются для облегчения образования капелек и для предотвращения закупорки сопла. Более высокие концентрации клеток могут также замедлять некоторые механизмы сшивания гидрогеля.

Несмотря на это, недостатки струйных биопринтеров перекрываются преимуществами, включающими низкую стоимость, высокую разрешающую способность, высокую скорость печати и совместимость со многими биологическим материалами. Еще одним преимуществом струйных биопринтеров является способность создавать градиент концентрации клеток, тканей или факторов роста по всей площади 3D структуры, посредством изменения размеров и плотности капель.

3.2 Микроэкструзионная биопечать

Микроэкструзионные биопринтеры обычно состоят из нагревательного элемента, системы подачи, одного или двух предметных столиков, способных двигаться по осям x, y и z, оптоволоконного источника света для освещения области печати и/или для фотоактивации, видеокамеры для x-y-z команд и контроля, а также пьезоэлектрического увлажнителя. Немногие системы используют несколько печатных головок для ускорения серийной печати нескольких заготовок. Около 30 000 3D принтеров продается по всему миру за год, и университеты активно покупают и применяют технологию микроэкструзии к исследованиям в области тканевой и органной инженерии. Промышленные принтеры значительно более дороги, но имеют большую разрешающую способность, скорость печати и больший спектр материалов, используемых для печати.

Микроэкструзионные принтеры работают на автоматизированной экструзии материала, которая накладывается на основание при помощи головки-экструдера. Маленькие шарики материала располагаются в двух измерениях; согласно установке CAD-CAM программ, столики или головка микроэкструзора движется по оси z и отлитый слой служит основанием для следующего слоя. Множество материалов совместимы с микроэкструдорами, включая гидрогели, биосовместимые полимеры и клетки-сфероиды. Наиболее распространенным методом для экструзии биологического материала для 3D биопечати являются пневматические или механические системы подачи. Механическая система подачи дает более точный контроль над потоком материала, так как в пневматических системах присутствует задержка выхода сжатого газа. Пневматические принтеры имеют преимущество в простоте системы подачи материала, и их мощность ограничена лишь силой давлений воздуха в системе. Механические системы содержат сложные механизмы небольших размеров, позволяющие оказывать точный пространственный контроль, но в ущерб максимальной мощности.

Главным преимуществом технологии микроэкструзионной биопечати является возможность наложения клеток с очень высокой плотностью. Достижение физиологической плотности клеток в (ткане)инженерных органах - основная задача в области биопечати. Некоторые группы исследователей использовали для микроэкструзионной биопечати 3D тканей растворы, состоящие исключительно из клеток. Сфероиды из клеток накладывались и самоорганизовывались в искомую 3D структуру. Считалось, что тканевые сфероиды обладают свойствами имитировать физические и функциональные свойства тканевого экстрацеллюлярного матрикса. В зависимости от вязкости и эластичности печатаемых объектов, группы клеток сплавляются друг с другом, формируя плотный макро-структуру. Одно преимущество технологии самоогранизующихся сфероидов - это возможность ускорения организации ткани и возможность непосредственного формирования сложных объектов. Такой подход в будущем позволит создавать внутриорганные разветвленные системы сосудов в толстых слоях ткани или органов, построенных путем моделирования из самоорганизующихся клеток-сфероидов ткани сосудов. Самая популярная технология биопечати без использования каркасов - механическая микроэкструзия.

Жизнеспособность клеток после микроэкструзионной биопечати ниже, чем при струйной биопечати; частота выживания клетки находится в пределах 40-86% и уменьшается с увеличением давления экструдора и калибра сопла. Уменьшение жизнеспособности клеток, нанесенных при помощи микроэкструзии, вероятнее всего результат стресса, причиняемого клеткам движением вязких жидкостей. Возможно, что давление в системе подачи может оказывать более существенное влияние на жизнеспособность клеток, чем диаметр сопла. Хотя жизнеспособность клеток может поддерживаться при помощи низких давлений и применения сопел широких размеров, недостатком может стать сильная потеря в разрешающей способности и скорости печати. Поддержание высокого уровня жизнеспособности клеток необходимо для достижения функциональности тканей. Не смотря на то, что многие исследования сообщают о сохранении жизнеспособности клеток после печати, авторам необходимо продемонстрировать, что эти клетки не только выжили, но и выполняют свои естественные функции в ткани.

3.3 Лазер-опосредованная биопечать

Лазер-опосредованная биопечать (Laser-assisted bioprinting , LAB), основана на принципах прямого лазер-индуцированного переноса (97,98).

Изначально разработанная для переноса металлов, технология прямого лазер-индуцированного переноса была успешно применена для биологического материала: пептиды, ДНК и клетки (99-102). Хотя реже, чем струйная или микроэкструзионная биопечать, LAB всё чаще используется для ткане- и органно-инженерных приложений. Типичное LAB-устройство состоит из импульсного лазерного луча, фокусирующей системы, "ленты", имеющей донор транспортного обеспечения, как правило, из стекла, покрытого лазер-поглощающим слоем (например, золото или титан) и слоем биологического материала (например, клетками и / или гидрогелем), приготовленного в виде жидкого раствора, и принимающего субстрата перед лентой. LAB функционирует с помощью сфокусированных лазерных импульсов на поглощающем слое ленты для создания пузыря высокого давления, который продвигает вперед вещества, содержащие клетки, по направлению к подложке коллектора.

Разрешение LAB зависит от многих факторов, в том числе от: плотности потока лазера (энергии , приходящейся на единицу площади), поверхностного натяжения, смачиваемости подложки, воздушного зазора между лентой и субстратом, а также от толщины и вязкости биологического слоя(103). Поскольку при LAB не используется насадка-сопло, удается избежать проблемы засорения клетками или материалами, которые мешают при других технологиях биопечати. LAB совместим с жидкостями различной вязкости (1-300 мПа /с) и может печатать клетки млекопитающих с незначительным воздействием на жизнеспособность и функциональность клеток (104-106). LAB может размещать клетки с плотностью до 108 кл / мл с разрешением микрошкалы 1 клетка на каплю с помощью лазера с частотой импульсов 5 кГц, со скоростью до 1600 мм / с (ссылка 49).

Несмотря на эти преимущества, высокое разрешение LAB требует быстрой кинетики гелеобразования для достижения высокого качества формы, что приводит к относительно низкой скорости потока в целом(107 ). Приготовление каждой индивидуальной ленты, которая часто требуется для каждого из печатаемых типов клеток или гидрогеля, отнимает много времени и это может стать обременительным, если несколько типов клеток и / или материалов должны быть расположены вместе. Из-за характера клеточного покрытия ленты может быть трудно точно направить клетки и задать их позицию. Некоторые из этих проблем можно преодолеть, используя технологию распознающего клетки сканирования для того, чтобы лазерный луч выбирал одну клетку за импульс. Эта так называемая «aim-and-shoot»-процедура может гарантировать, что каждая печатаемая капля будет содержать заданное число клеток. Тем не менее, статичная клеточная печать может быть достигнута с использованием ленты с очень высокой концентрацией клеток, устраняя тем самым необходимость в такой специфической их ориентации (49). Наконец, в конечной биопечатной конструкции присутствуют металлические остатки вследствие испарения металлического лазеропоглощающего слоя во время печати. Избежать этого загрязнения можно при использовании неметаллических поглощающих слоев и модификации процесса печати в не требующий поглощающего слоя (108,109). Высокая стоимость этих систем является также проблемой для основных исследований тканевой инженерии, хотя, как это бывает с большинством 3D технологий печати, эта стоимость быстро снижается прямо пропорционально развитию технологий.

Заключение

Технология 3D-биопечати обладает высокой точностью и высокой скоростью воспроизводения. 3D-биопечать соответствует требованиям индивидуального медицинского лечения и имеет такие преимущества, как низкая реакция отторжения. Но биопечать также сталкивается с относительно большими проблемами в области биомеханики, выбора материала стента, среды, формования печатной структуры, кровоснабжения печатной структуры и долгосрочного выживания печатной структуры. Таким образом, технология 3D-биопечати еще не является полностью зрелой технологией, и она все еще нуждается доработке. В настоящее время эта технология не получила широкого применения в клинике.

Как бы то ни было, немало отечественных и зарубежных исследовательских центров и лабораторий проводят клинические эксперименты с технологией 3D-биопечати, которая в основном применяется в инженерии костной и хрящевой ткани. В целом, технология 3D-биопечати является одной из технологий построения 3D-стереохимической структуры в стереохимической структуре. Она имеет широкую перспективу применения и является объектом исследований во многих современных дисциплинах, включая биологию, материаловедение, медицину. Если технология “биопечати” будет зрелой в ближайшие десятилетия, человеческий орган можно будет легко заменить, чтобы продлить жизненный цикл человека. Однако впереди еще долгий путь, и он нуждается в совместных усилиях, интеграции и прорывах в различных дисциплинах.

Список использованных источников

1. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/301/1/012023.

2. https://ad-ma.ru/3d-biopechat/#Cto_takoe_3D-biopecat.

Размещено на Allbest.ru