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 een materiaal bij elkaar wordt opgeteld en zo wordt samengevoegd of gestold onder digitale besturing van een computer om een driedimensionaal object of een driedimensionale entiteit te creëren. Rapid Prototyping en Additive Manufacturing zijn de andere termen die worden gebruikt om deze techniek te beschrijven van het creëren van complexe objecten of entiteiten door materiaal in lagen te leggen en geleidelijk op te bouwen - of gewoon een 'additief'-methode. Deze opmerkelijke technologie bestaat al drie decennia nadat ze officieel werd ontdekt in 1987, maar pas onlangs werd ze in de schijnwerpers en populariteit geduwd als niet alleen een middel om prototypes te produceren, maar eerder om volwaardige functionele componenten te bieden. Dat is het potentieel van mogelijkheden van 3D printen dat het nu de drijvende kracht is achter grote innovaties op veel gebieden, waaronder engineering, productie en geneeskunde.
Er zijn verschillende soorten additive manufacturing-methoden beschikbaar die dezelfde stappen volgen om het uiteindelijke eindresultaat te bereiken. In de eerste cruciale stap wordt het ontwerp gemaakt met behulp van CAD-software (Computer-Aided-Design) op een computer, een digitale blauwdruk. Deze software kan voorspellen hoe de uiteindelijke structuur zal uitpakken en zich ook gedragen, dus deze eerste stap is essentieel voor een goed resultaat. Dit CAD-ontwerp wordt vervolgens omgezet in een technisch formaat (een .stl-bestand of standaard tessellation-taal genoemd) dat de 3D-printer nodig heeft om ontwerpinstructies te kunnen interpreteren. Vervolgens moet de 3D-printer worden ingesteld (vergelijkbaar met een gewone 2D-printer voor thuis of op kantoor) voor het daadwerkelijke afdrukken - dit omvat het configureren van het formaat en de oriëntatie, het kiezen voor liggende of staande afdrukken, het vullen van de printercartridges met het juiste poeder . De 3D printer dan begint het drukproces, waarbij het ontwerp geleidelijk met één microscopische laag van het materiaal tegelijk wordt opgebouwd. Deze laag is meestal ongeveer 0.1 mm dik, maar kan worden aangepast aan een bepaald object dat wordt afgedrukt. De gehele procedure is grotendeels geautomatiseerd en er is geen fysieke tussenkomst vereist, alleen periodieke controles om de juiste functionaliteit te garanderen. Een bepaald object duurt enkele uren tot dagen om te voltooien, afhankelijk van de grootte en complexiteit van het ontwerp. Bovendien, aangezien het een 'additief'-methodologie is, is het economisch, milieuvriendelijk (zonder verspilling) en biedt het ook veel meer ruimte voor ontwerpen.
Het volgende niveau: 3D Bioprinting
bioprinten is een uitbreiding van traditioneel 3D-printen met de recente ontwikkelingen waardoor 3D-printen kan worden toegepast op biologische levende materialen. Terwijl 3D-inkjetprinten al wordt gebruikt om geavanceerde medische apparaten en hulpmiddelen te ontwikkelen en te produceren, moet er een stap verder worden ontwikkeld om biologische moleculen af te drukken, te bekijken en te begrijpen. Het cruciale verschil is dat bioprinten, in tegenstelling tot inkjetprinten, gebaseerd is op bio-inkt, die bestaat uit levende celstructuren. Dus bij bioprinten, wanneer een bepaald digitaal model wordt ingevoerd, wordt het specifieke levende weefsel afgedrukt en laag voor cellaag opgebouwd. Vanwege de zeer complexe cellulaire componenten van het levende lichaam, vordert 3D-bioprinting langzaam en complexiteiten zoals de keuze van materialen, cellen, factoren en weefsels stellen aanvullende procedurele uitdagingen. Deze complexiteit kan worden aangepakt door het begrip te verbreden door technologieën uit interdisciplinaire gebieden, zoals biologie, natuurkunde en geneeskunde, te integreren.
Grote vooruitgang in bioprinten
In een studie gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen, hebben onderzoekers een 3D-bioprinttechniek ontwikkeld die cellen en moleculen gebruikt die normaal in natuurlijke weefsels (hun natuurlijke omgeving) voorkomen 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 zelfstandig een gedefinieerde opstelling aannemen om een specifieke taak uit te voeren. Deze techniek integreert 'micro- en macroscopische controle van structurele kenmerken' die '3D-printen' biedt met de 'moleculaire en nanoschaalcontrole' mogelijk gemaakt door 'moleculaire zelfassemblage'. Het gebruikt de kracht van moleculaire zelfassemblage om de cellen die worden geprint te stimuleren, wat anders een beperking is in 3D-printen wanneer reguliere '3D-printinkt' deze middelen hiervoor niet biedt.
Onderzoekers hebben structuren 'ingebed' in 'bio-inkt' die vergelijkbaar is met hun oorspronkelijke omgeving in het lichaam, waardoor de structuren zich gedragen zoals ze dat in het lichaam zouden doen. Deze bio-inkt, ook wel de 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 wanneer toegepast bioprinting stelt ons in staat om observaties te doen over hoe deze cellen in hun omgeving werken, waardoor we een momentopname en begrip krijgen van het echte biologische scenario. Het verhoogt de mogelijkheid om biologische 3D-structuren te bouwen door meerdere soorten biomoleculen te printen die op meerdere schalen kunnen worden samengevoegd tot goed gedefinieerde structuren.
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 bioprinten en 3D-inkjetprinten in het algemeen was de ontwikkeling van geavanceerde, geavanceerde software om de uitdaging bij de eerste stap van het printen aan te gaan - het creëren van een geschikt ontwerp of blauwdruk. De blauwdruk van niet-levende objecten kan bijvoorbeeld eenvoudig worden gemaakt, maar als het gaat om het maken van digitale modellen van bijvoorbeeld een lever of hart, is het uitdagend en niet eenvoudig zoals de meeste materiële objecten. Bioprinting heeft zeker veel voordelen - nauwkeurige controle, herhaalbaarheid en individueel ontwerp, maar wordt nog steeds geplaagd door verschillende uitdagingen - de belangrijkste is het opnemen van meerdere celtypen in een ruimtelijke structuur, aangezien een leefomgeving dynamisch en niet statisch is. Deze studie heeft bijgedragen aan de vooruitgang van 3D-bioprinting en veel obstakels kunnen worden verwijderd door hun principes te volgen. Het is duidelijk dat het echte succes van bioprinten meerdere facetten heeft. Het meest cruciale aspect dat bioprinting mogelijk kan maken, is de ontwikkeling van relevante en geschikte biomaterialen, verbetering van de resolutie van de print en ook vascularisatie om deze technologie met succes klinisch toe te passen. Het lijkt onmogelijk om volledig functionerende en levensvatbare organen voor menselijke transplantatie te 'creëren' door middel van bioprinten, maar desalniettemin vordert dit veld snel en staan er nu in slechts een paar jaar tal van ontwikkelingen op de voorgrond. Het zou haalbaar moeten zijn om de meeste uitdagingen van bioprinten te overwinnen, aangezien onderzoekers en biomedische ingenieurs al op weg zijn naar succesvol complex bioprinten.
Enkele problemen met Bioprinting
Een kritiek punt op het gebied van bioprinting is dat het in dit stadium bijna onmogelijk is om de werkzaamheid en veiligheid te testen van biologische 'gepersonaliseerde' behandelingen die worden aangeboden aan patiënten die deze techniek gebruiken. Ook zijn de kosten die met dergelijke behandelingen gepaard gaan een groot probleem, vooral waar het fabricage betreft. Hoewel het heel goed mogelijk is om functionele organen te ontwikkelen die menselijke organen kunnen vervangen, maar zelfs dan is er momenteel geen onfeilbare manier om te beoordelen of het lichaam van de patiënt nieuw weefsel of het gegenereerde kunstmatige orgaan zal accepteren en of dergelijke transplantaties succesvol zullen zijn bij alle.
Bioprinting is een groeiende markt en zal zich richten op de ontwikkeling van weefsels en organen en misschien zullen binnen enkele decennia nieuwe resultaten worden gezien in 3D-geprinte menselijke organen en transplantaties. 3D bioprinting zal de belangrijkste en meest relevante medische ontwikkeling van ons leven blijven.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Hedegaard CL 2018. Hydrodynamisch geleide hiërarchische zelfassemblage van peptide-eiwit-bioinks. Geavanceerde functionele materialen. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
