In een grote vooruitgang in de 3D-bioprinttechniek zijn cellen en weefsels gemaakt om zich te gedragen zoals in hun natuurlijke omgeving om 'echte' biologische structuren te construeren
3D-printen is een procedure waarbij materiaal wordt samengevoegd en zo, onder digitale besturing van een computer, wordt samengevoegd of gestold om een driedimensionaal object of entiteit te creëren. Rapid prototyping en additive manufacturing zijn andere termen die worden gebruikt om deze techniek te beschrijven voor het creëren van complexe objecten of entiteiten door materiaal in lagen aan te brengen en geleidelijk op te bouwen – ofwel een 'additieve' methode. Deze opmerkelijke technologie bestaat al drie decennia, sinds de officiële ontdekking in 1987, maar pas recentelijk is ze in de schijnwerpers komen te staan en populair geworden, niet alleen als middel om prototypes te produceren, maar ook als een manier om volwaardige functionele componenten te maken. De mogelijkheden van 3D -printen zijn zo groot dat het nu belangrijke innovaties stimuleert op vele gebieden, waaronder engineering, productie en geneeskunde.
Er zijn verschillende soorten additieve productiemethoden beschikbaar die allemaal dezelfde stappen volgen om het uiteindelijke resultaat te bereiken. In de eerste cruciale stap wordt een ontwerp gemaakt met behulp van CAD-software (Computer-Aided Design) op een computer – een zogenaamde digitale blauwdruk. Deze software kan voorspellen hoe de uiteindelijke structuur eruit zal zien en zich zal gedragen, waardoor deze eerste stap essentieel is voor een goed resultaat. Dit CAD-ontwerp wordt vervolgens omgezet naar een technisch formaat (een zogenaamd .stl-bestand of Standard Tessellation Language), dat nodig is zodat de 3D-printer de ontwerpinstructies kan interpreteren. Vervolgens moet de 3D-printer worden ingesteld (vergelijkbaar met een gewone 2D-printer voor thuis of op kantoor) voor het daadwerkelijke printen – dit omvat het configureren van de grootte en oriëntatie, het kiezen voor een liggende of staande afdruk en het vullen van de printercartridges met het juiste poeder. De 3D-printer start dan het printproces en bouwt het ontwerp geleidelijk op, laagje voor laagje, van het materiaal. Deze laagjes zijn doorgaans ongeveer 0.1 mm dik, maar kunnen worden aangepast aan het specifieke object dat wordt geprint. De gehele procedure is grotendeels geautomatiseerd en er is geen fysieke tussenkomst nodig, alleen periodieke controles om de correcte werking te garanderen. De productie van een specifiek object duurt enkele uren tot dagen, afhankelijk van de grootte en complexiteit van het ontwerp. Bovendien is het een 'additieve' methode, waardoor het economisch en milieuvriendelijk is (zonder afval) en veel meer ontwerpmogelijkheden biedt.
Het volgende niveau: 3D Bioprinting
Bioprinting is een uitbreiding van traditioneel 3D-printen, waarbij recente ontwikkelingen het mogelijk maken om 3D-printen toe te passen op levende biologische materialen. Hoewel 3D-inkjetprinten al wordt gebruikt voor de ontwikkeling en productie van geavanceerde medische apparaten en instrumenten, is een volgende stap nodig om biologische moleculen te printen, te bekijken en te begrijpen. Het cruciale verschil is dat bioprinting, in tegenstelling tot inkjetprinten, gebaseerd is op bio-inkt, die bestaat uit levende celstructuren. Bij bioprinting wordt, wanneer een specifiek digitaal model wordt ingevoerd, het betreffende levende weefsel geprint en laagje voor laagje opgebouwd. Vanwege de zeer complexe cellulaire componenten van het levende lichaam vordert 3D-bioprinting langzaam en vormen complexiteiten zoals de keuze van materialen, cellen, factoren en weefsels extra procedurele uitdagingen. Deze complexiteiten kunnen worden aangepakt door een breder begrip te ontwikkelen door technologieën uit interdisciplinaire vakgebieden, zoals biologie, natuurkunde en geneeskunde, te integreren.
Grote vooruitgang in bioprinten
In een studie gepubliceerd in Advanced Functional Materials hebben onderzoekers een 3D-bioprinttechniek ontwikkeld die gebruikmaakt van cellen en moleculen die normaal gesproken in natuurlijke weefsels voorkomen (hun natuurlijke omgeving) om constructies of ontwerpen te creëren die lijken op 'echte' biologische structuren. Deze specifieke bioprinttechniek combineert 'moleculaire zelfassemblage' met '3D-printen' om complexe biomoleculaire structuren te creëren. Moleculaire zelfassemblage is een proces waarbij moleculen vanzelf een bepaalde rangschikking aannemen om een specifieke taak uit te voeren. Deze techniek integreert de 'micro- en macroscopische controle van structurele kenmerken' die '3D-printen' biedt met de 'moleculaire en nanoschaalcontrole' die mogelijk wordt gemaakt door 'moleculaire zelfassemblage'. Het maakt gebruik van de kracht van moleculaire zelfassemblage om de cellen die worden geprint te stimuleren, wat anders een beperking is bij 3D-printen wanneer reguliere '3D-printinkt' deze mogelijkheid niet biedt.
Onderzoekers hebben structuren ingebed in 'bio-inkt' die lijkt op hun natuurlijke omgeving in het lichaam, waardoor de structuren zich gedragen zoals ze dat in het lichaam zouden doen. Deze bio-inkt, ook wel zelfassemblerende inkt genoemd, helpt bij het controleren of moduleren van chemische en fysische eigenschappen tijdens en na het printen, waardoor het celgedrag dienovereenkomstig kan worden gestimuleerd. Het unieke mechanisme, toegepast op bioprinting, stelt ons in staat om te observeren hoe deze cellen functioneren binnen hun omgeving, waardoor we een momentopname en inzicht krijgen in een reële biologische situatie. Het opent de mogelijkheid om 3D biologische structuren te bouwen door meerdere soorten biomoleculen te printen die in staat zijn zich te assembleren tot goed gedefinieerde structuren op verschillende schalen.
De toekomst is zeer hoopvol!
Bioprinting-onderzoek wordt al gebruikt om verschillende soorten weefsel te genereren en kan dus erg belangrijk zijn voor tissue engineering en regeneratieve geneeskunde om te voorzien in de behoefte aan weefsels en organen die geschikt zijn voor transplantatie - huid, bot, transplantaten, hartweefsel enz. Verder is de techniek opent een breed scala aan mogelijkheden voor het ontwerpen en creëren van biologische scenario's zoals complexe en specifieke celomgevingen om de welvaart van tissue engineering mogelijk te maken door daadwerkelijk objecten of constructies te creëren -onder digitale controle en met moleculaire precisie- die lijken op of nabootsen van weefsels in het lichaam. Het is mogelijk om modellen van levend weefsel, bot, bloedvaten en mogelijk volledige organen te creëren voor medische procedures, training, testen, onderzoek en initiatieven voor het ontdekken van geneesmiddelen. Zeer specifieke generatie van op maat gemaakte patiëntspecifieke constructies kan helpen bij het ontwerpen van nauwkeurige, gerichte en gepersonaliseerde behandelingen.
Een van de grootste obstakels voor bioprinting en 3D-inkjetprinten in het algemeen is de ontwikkeling van geavanceerde software om de uitdaging van de eerste printstap aan te gaan: het creëren van een geschikt ontwerp of blauwdruk. Zo is het maken van een blauwdruk voor levenloze objecten eenvoudig, maar het creëren van digitale modellen van bijvoorbeeld een lever of hart is complexer en niet zo eenvoudig als bij de meeste materiële objecten. Bioprinting heeft zeker veel voordelen – nauwkeurige controle, herhaalbaarheid en individueel ontwerp – maar kampt nog steeds met diverse uitdagingen. De belangrijkste daarvan is het integreren van meerdere celtypen in een ruimtelijke structuur, aangezien een levende omgeving dynamisch en niet statisch is. Deze studie heeft bijgedragen aan de vooruitgang van 3D-bioprinting en veel obstakels kunnen worden weggenomen door de principes ervan te volgen. Het is duidelijk dat het succes van bioprinting afhangt van verschillende factoren. De meest cruciale aspecten die bioprinting kunnen versterken, zijn de ontwikkeling van relevante en geschikte biomaterialen, de verbetering van de printresolutie en de vascularisatie, om deze technologie succesvol klinisch te kunnen toepassen. Het lijkt onmogelijk om volledig functionerende en levensvatbare organen voor menselijke transplantatie te 'creëren' door middel van bioprinting, maar desondanks ontwikkelt dit vakgebied zich snel en staan er in slechts enkele jaren tijd al veel ontwikkelingen op stapel. Het zou haalbaar moeten zijn om de meeste uitdagingen van bioprinting te overwinnen, aangezien onderzoekers en biomedische ingenieurs al op weg zijn naar succesvolle, complexe bioprintingprojecten.
Enkele problemen met Bioprinting
Een cruciaal punt dat in het vakgebied van bioprinting naar voren is gebracht , is dat het in dit stadium vrijwel onmogelijk is om de werkzaamheid en veiligheid te testen van biologische 'gepersonaliseerde' behandelingen die met deze techniek aan patiënten worden aangeboden. Ook de kosten van dergelijke behandelingen vormen een groot probleem, met name wat de productie betreft. Hoewel het zeker mogelijk is om functionele organen te ontwikkelen die menselijke organen kunnen vervangen, is er momenteel geen waterdichte manier om te beoordelen of het lichaam van de patiënt het nieuwe weefsel of het gegenereerde kunstmatige orgaan zal accepteren en of dergelijke transplantaties überhaupt succesvol zullen zijn.
Bioprinting is een groeiende markt die zich zal richten op de ontwikkeling van weefsels en organen. Mogelijk zullen we over een paar decennia nieuwe resultaten zien met 3D-geprinte menselijke organen en transplantaties . 3D- bioprinting zal de belangrijkste en meest relevante medische ontwikkeling van onze tijd blijven.
***
Bron (nen)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamisch gestuurde hiërarchische zelfassemblage van peptide-eiwit bio-inkten. Advanced Functional Materials . https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
