בניית מבנים ביולוגיים 'אמיתיים' באמצעות הדפסה ביולוגית תלת מימדית

בטכניקת הדפסה ביולוגית תלת מימדית, תאים ורקמות נוצרו כדי להתנהג כמו בסביבתם הטבעית כדי לבנות מבנים ביולוגיים "אמיתיים"

הדפסה תלת מימדית היא הליך שבו חומר מתווסף יחדיו וכך מחברים או מתמצקים בשליטה דיגיטלית של מחשב ליצירת עצם או ישות תלת מימדית. יצירת אב טיפוס מהירה וייצור תוסף הם המונחים האחרים המשמשים לתיאור טכניקה זו של יצירה של אובייקטים או ישויות מורכבות על ידי ריבוי חומר ובנייה הדרגתית - או פשוט שיטה 'תוסף'. הטכנולוגיה המדהימה הזו קיימת כבר שלושה עשורים לאחר שהתגלתה רשמית בשנת 3, רק לאחרונה היא הוכנסה לאור הזרקורים ולפופולריות לא רק שהיא אמצעי לייצור אבות טיפוס אלא מציעה רכיבים פונקציונליים מלאים. כזה הוא הפוטנציאל של האפשרויות של 3D הדפיס שהוא מניע כעת חידושים גדולים בתחומים רבים, כולל הנדסה, ייצור ורפואה.

זמינות סוגים שונים של שיטות ייצור תוספים אשר עוקבות אחר אותם שלבים כדי להשיג את התוצאה הסופית הסופית. בשלב המכריע הראשון, עיצוב נוצר באמצעות תוכנת CAD (Computer Aided-Design) במחשב - המכונה תוכנית דיגיטלית. תוכנה זו יכולה לחזות איך המבנה הסופי יתפתח וגם תתנהג, ולכן הצעד הראשון הזה חיוני לתוצאה טובה. עיצוב CAD זה מומר לאחר מכן לפורמט טכני (הנקרא קובץ .stl או שפת טssellation סטנדרטית) אשר נדרש כדי שהמדפסת התלת מימדית תוכל לפרש הוראות עיצוב. לאחר מכן, יש להגדיר מדפסת תלת מימד (בדומה למדפסת דו מימד רגילה, ביתית או משרדית) לצורך ההדפסה בפועל - זה כולל הגדרת הגודל והכיוון, בחירה בהדפסות לרוחב או לאורך, מילוי מחסניות המדפסת באבקה הנכונה . ה מדפסת 3D לאחר מכן מתחיל תהליך ההדפסה, בונה בהדרגה את העיצוב שכבה מיקרוסקופית אחת של החומר בכל פעם. שכבה זו היא בדרך כלל בעובי של כ-0.1 מ"מ, אם כי ניתן להתאים אותה לאובייקט מסוים המודפס. ההליך כולו הוא אוטומטי ברובו ואין צורך בהתערבות פיזית, אלא רק בדיקות תקופתיות על מנת להבטיח תפקוד נכון. אובייקט מסוים לוקח מספר שעות עד ימים להשלמתו, בהתאם לגודל ומורכבות העיצוב. יתר על כן, מכיוון שמדובר במתודולוגיה 'תוסף', היא חסכונית, ידידותית לסביבה (ללא בזבוז) וגם מספקת מרחב הרבה יותר לעיצובים.

השלב הבא: הדפסה ביולוגית תלת מימדית

הדפסה ביולוגית היא הרחבה של הדפסת תלת מימד מסורתית עם ההתקדמות האחרונה המאפשרת ליישם הדפסת תלת מימד על חומרים חיים ביולוגיים. בעוד שהדפסת הזרקת דיו תלת מימדית כבר נמצאת בשימוש לפיתוח וייצור מכשירים וכלים רפואיים מתקדמים, צריך לפתח צעד נוסף כדי להדפיס, לראות ולהבין מולקולות ביולוגיות. ההבדל המכריע הוא שבניגוד להדפסה בהזרקת דיו, הדפסה ביולוגית מבוססת על ביו-דיו, המורכב ממבני תאים חיים. לכן, בהדפסה ביולוגית, כאשר מודל דיגיטלי מסוים מוקלט, הרקמה החיה הספציפית מודפסת ונבנית שכבה אחר שכבת תא. בגלל הרכיבים התאיים המורכבים ביותר של הגוף החי, הדפסה ביולוגית תלת מימדית מתקדמת באיטיות ומורכבויות כגון בחירת חומרים, תאים, גורמים, רקמות מציבות אתגרים פרוצדורליים נוספים. ניתן לטפל במורכבויות אלו על ידי הרחבת ההבנה על ידי שילוב טכנולוגיות מתחומים בין-תחומיים כגון ביולוגיה, פיזיקה ורפואה.

התקדמות גדולה בהדפסה ביולוגית

במחקר שפורסם ב חומרים פונקציונליים מתקדמים, חוקרים פיתחו טכניקת הדפסה ביולוגית תלת מימדית המשתמשת בתאים ומולקולות הנמצאות בדרך כלל ברקמות טבעיות (הסביבה המקומית שלהן) כדי ליצור מבנים או עיצובים הדומים למבנים ביולוגיים 'אמיתיים'. טכניקת הדפסה ביולוגית מסוימת זו משלבת 'הרכבה עצמית מולקולרית' עם 'הדפסה תלת מימדית' כדי ליצור מבנים ביומולקולריים מורכבים. הרכבה עצמית מולקולרית היא תהליך שבו מולקולות מאמצות סידור מוגדר בעצמן לביצוע משימה מסוימת. טכניקה זו משלבת "בקרה מיקרוסקופית ומקרוסקופית של תכונות מבניות" ש"הדפסת תלת מימד" מספקת עם "שליטה בקנה מידה מולקולרי וננו" המתאפשר על ידי "הרכבה עצמית מולקולרית". היא משתמשת בכוחה של הרכבה עצמית מולקולרית כדי לעורר את התאים המודפסים, מה שמהווה מגבלה בהדפסה תלת מימדית כאשר 'דיו להדפסה תלת מימדית' רגילה אינה מספקת אמצעי זה לכך.

חוקרים 'טמיעו' מבנים ב'ביו דיו' הדומה לסביבתם המקורית בתוך הגוף, מה שגורם למבנים להתנהג כפי שהם יתנהגו בגוף. ביו-דיו זה, הנקרא גם דיו להרכבה עצמית עוזר לשלוט או לווסת תכונות כימיות ופיזיקליות במהלך ואחרי ההדפסה, מה שמאפשר לעורר את התנהגות התא בהתאם. המנגנון הייחודי כאשר מיושם על הדפסת ביו מאפשר לנו לבצע תצפיות על איך תאים אלה פועלים בסביבתם, ובכך לתת לנו תמונת מצב והבנה של תרחיש ביולוגי אמיתי. זה מעלה את האפשרות לבנות מבנים ביולוגיים תלת מימדיים על ידי הדפסת סוגים מרובים של ביומולקולות המסוגלות להרכיב למבנים מוגדרים היטב במספר קנה מידה.

העתיד מלא תקווה!

מחקר ביו-הדפסה כבר משמש ליצירת סוגים שונים של רקמות ולכן יכול להיות חשוב מאוד עבור הנדסת רקמות ורפואה רגנרטיבית כדי לתת מענה לצורך ברקמות ואיברים המתאימים להשתלה - עור, עצם, שתלים, רקמת לב וכו'. פותחת מגוון רחב של אפשרויות לתכנן וליצור תרחישים ביולוגיים כמו סביבות תאים מורכבות וספציפיות כדי לאפשר שגשוג של הנדסת רקמות על ידי יצירת אובייקטים או מבנים - בשליטה דיגיטלית ובדיוק מולקולרי - הדומים או מחקים רקמות בגוף. ניתן ליצור מודלים של רקמות חיים, עצם, כלי דם ואיברים פוטנציאליים ושלמים עבור פרוצדורות רפואיות, הדרכה, בדיקות, מחקר וגילוי תרופות. דור ספציפי מאוד של מבנים מותאמים אישית למטופל יכול לעזור בתכנון טיפולים מדויקים, ממוקדים ומותאמים אישית.

אחד המכשולים הגדולים ביותר עבור הדפסה ביולוגית והדפסת הזרקת דיו תלת מימדית בכלל היה פיתוח תוכנה מתקדמת ומתוחכמת שתעמוד באתגר בשלב הראשון של ההדפסה – יצירת עיצוב או תוכנית מתאימה. לדוגמה, ניתן ליצור את השרטוט של חפצים שאינם חיים בקלות, אבל כשמדובר ביצירת מודלים דיגיטליים של כבד או לב, זה מאתגר ולא פשוט כמו רוב החפצים החומריים. להדפסה ביולוגית יש בהחלט יתרונות רבים - שליטה מדויקת, יכולת חזרה ועיצוב אינדיבידואלי, אך עדיין מוטלת בכמה אתגרים - החשוב ביותר הוא הכללת סוגי תאים מרובים במבנה מרחבי, שכן סביבת חיים היא דינמית ולא סטטית. מחקר זה תרם לקידום ההדפסה הביולוגית בתלת מימד וניתן להסיר הרבה מכשולים על ידי ביצוע העקרונות שלהם. ברור שלהצלחה האמיתית של הדפסה ביולוגית יש כמה היבטים הקשורים אליה. ההיבט המכריע ביותר שיכול להעצים הדפסה ביולוגית הוא פיתוח של חומרים ביולוגיים רלוונטיים ומתאימים, שיפור הרזולוציה של ההדפסה וגם כלי דם כדי להצליח ליישם את הטכנולוגיה הזו מבחינה קלינית. זה אמנם נראה בלתי אפשרי 'ליצור' איברים מתפקדים במלואם וברי קיימא להשתלה אנושית על ידי הדפסה ביולוגית, אך למרות זאת תחום זה מתקדם במהירות והרבה התפתחויות נמצאות בחזית כעת בעוד מספר שנים בלבד. זה אמור להיות בר השגה להתגבר על רוב האתגרים הקשורים להדפסה ביולוגית מאחר שחוקרים ומהנדסים ביו-רפואיים כבר נמצאים בדרך להדפסה ביולוגית מורכבת מוצלחת.

כמה בעיות עם Bioprinting

נקודה קריטית שהועלתה בתחום הביו-הדפסה היא שכמעט בלתי אפשרי בשלב זה לבדוק את היעילות והבטיחות של כל טיפול ביולוגי 'מותאם אישית' המוצע למטופלים באמצעות טכניקה זו. כמו כן, עלויות הקשורות לטיפולים כאלה היא בעיה גדולה במיוחד כאשר מדובר בייצור. אמנם אפשר מאוד לפתח איברים פונקציונליים שיכולים להחליף איברים אנושיים, אבל גם אז, נכון לעכשיו אין דרך מטומטמת להעריך אם הגוף של המטופל יקבל רקמה חדשה או האיבר המלאכותי שנוצר והאם השתלות כאלה יצליחו. את כל.

Bioprinting הוא שוק צומח ויתמקד בפיתוח של רקמות ואיברים ואולי בעוד כמה עשורים יראו תוצאות חדשות באיברים והשתלות אנושיות מודפסות בתלת מימד. תלת מימד הדפסת ביו ימשיך להיות הפיתוח הרפואי החשוב והרלוונטי ביותר בחיינו.

***

{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}

מקור (ים)

Hedegaard CL 2018. הרכבה עצמית היררכית מונחה הידרודינמית של פפטיד-חלבון ביו-inks. חומרים פונקציונליים מתקדמים. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716