3D ბიობეჭდვის ტექნიკის მნიშვნელოვანი წინსვლისას, უჯრედები და ქსოვილები შეიქმნა ისე, რომ მოიქცნენ ბუნებრივ გარემოში და შექმნან "რეალური" ბიოლოგიური სტრუქტურები.
3D ბეჭდვა არის პროცედურა, რომლის დროსაც მასალა ემატება ერთმანეთს და ამით უერთდება ან მყარდება კომპიუტერის ციფრული კონტროლის ქვეშ სამგანზომილებიანი ობიექტის ან ერთეულის შესაქმნელად. სწრაფი პროტოტიპირება და დანამატის წარმოება არის სხვა ტერმინები, რომლებიც გამოიყენება რთული ობიექტების ან ერთეულების შექმნის ტექნიკის აღსაწერად მასალის ფენით და თანდათანობით აშენებით - ან უბრალოდ "დანამატის" მეთოდით. ეს შესანიშნავი ტექნოლოგია 1987 წელს ოფიციალურად აღმოჩენის შემდეგ სამი ათეული წლის განმავლობაში არსებობს, მხოლოდ ახლახანს გახდა ყურადღების ცენტრში და პოპულარობით, როგორც არა მხოლოდ პროტოტიპების წარმოების საშუალებად, არამედ სრულფასოვან ფუნქციურ კომპონენტებს სთავაზობს. ასეთია შესაძლებლობების პოტენციალი 3D ბეჭდვა, რომ ახლა ის იწვევს ძირითად ინოვაციებს ბევრ სფეროში, მათ შორის ინჟინერიაში, წარმოებასა და მედიცინაში.
ხელმისაწვდომია დანამატების წარმოების სხვადასხვა ტიპები, რომლებიც მიჰყვებიან იგივე ნაბიჯებს საბოლოო შედეგის მისაღწევად. პირველ გადამწყვეტ საფეხურზე დიზაინი იქმნება კომპიუტერზე CAD (Computer-Aided-Design) პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით, რომელსაც ციფრული გეგმა ეწოდება. ამ პროგრამულ უზრუნველყოფას შეუძლია წინასწარ განსაზღვროს, თუ როგორ გამოვა საბოლოო სტრუქტურა და ასევე მოიქცევა, ამიტომ ეს პირველი ნაბიჯი სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია კარგი შედეგისთვის. ეს CAD დიზაინი შემდეგ გარდაიქმნება ტექნიკურ ფორმატში (ე.წ. .stl ფაილი ან სტანდარტული ტესელაციის ენა), რომელიც საჭიროა 3D პრინტერისთვის, რათა შეძლოს დიზაინის ინსტრუქციების ინტერპრეტაცია. შემდეგი, 3D პრინტერი უნდა იყოს დაყენებული (ჩვეულებრივი, სახლის ან საოფისე 2D პრინტერის მსგავსად) რეალური ბეჭდვისთვის - ეს მოიცავს ზომისა და ორიენტაციის კონფიგურაციას, ლანდშაფტის ან პორტრეტის ანაბეჭდების არჩევას, პრინტერის კარტრიჯების შევსებას სწორი ფხვნილით. . The 3D პრინტერი შემდეგ იწყება ბეჭდვის პროცესი, თანდათანობით აყალიბებს დიზაინს მასალის ერთი მიკროსკოპული ფენით. ეს ფენა, როგორც წესი, არის დაახლოებით 0.1 მმ სისქის, თუმცა მისი მორგება შესაძლებელია კონკრეტულ ობიექტზე დასაბეჭდად. მთელი პროცედურა ძირითადად ავტომატიზირებულია და არ არის საჭირო ფიზიკური ჩარევა, მხოლოდ პერიოდული შემოწმება სწორი ფუნქციონირების უზრუნველსაყოფად. კონკრეტული ობიექტის დასრულებას რამდენიმე საათი ან დღე სჭირდება, რაც დამოკიდებულია დიზაინის ზომასა და სირთულეზე. გარდა ამისა, ვინაიდან ეს არის „დამატებითი“ მეთოდოლოგია, ის არის ეკონომიური, ეკოლოგიურად კეთილგანწყობილი (დაკარგვის გარეშე) და ასევე უზრუნველყოფს დიზაინის ბევრად უფრო დიდ შესაძლებლობებს.
შემდეგი დონე: 3D ბიობეჭდვა
ბიობეჭდვა არის ტრადიციული 3D ბეჭდვის გაფართოება უახლესი მიღწევებით, რაც საშუალებას აძლევს 3D ბეჭდვას გამოიყენოს ბიოლოგიურ ცოცხალ მასალებზე. მიუხედავად იმისა, რომ 3D ჭავლური ბეჭდვა უკვე გამოიყენება მოწინავე სამედიცინო მოწყობილობებისა და ხელსაწყოების შემუშავებისა და წარმოებისთვის, საჭიროა კიდევ ერთი ნაბიჯის გადადგმა ბიოლოგიური მოლეკულების დასაბეჭდად, სანახავად და გასაგებად. გადამწყვეტი განსხვავებაა ის, რომ ჭავლური ბეჭდვისგან განსხვავებით, ბიობეჭდვა ეფუძნება ბიო-მელნას, რომელიც შედგება ცოცხალი უჯრედის სტრუქტურებისგან. ასე რომ, ბიობეჭდვისას, როდესაც შეყვანილია კონკრეტული ციფრული მოდელი, კონკრეტული ცოცხალი ქსოვილი იბეჭდება და იქმნება ფენა-უჯრედის შრე. ცოცხალი სხეულის უაღრესად რთული უჯრედული კომპონენტების გამო, 3D ბიობეჭდვა ნელა პროგრესირებს და ისეთი სირთულეები, როგორიცაა მასალების, უჯრედების, ფაქტორების, ქსოვილების არჩევანი, დამატებით პროცედურულ გამოწვევებს უქმნის. ამ სირთულეების მოგვარება შესაძლებელია გაგების გაფართოებით, ტექნოლოგიების ინტეგრირებით ინტერდისციპლინარული სფეროებიდან, მაგ. ბიოლოგია, ფიზიკა და მედიცინა.
მნიშვნელოვანი პროგრესი ბიობეჭდვის სფეროში
In კვლევა გამოქვეყნდა მოწინავე ფუნქციური მასალებიმკვლევარებმა შეიმუშავეს 3D ბიობეჭდვის ტექნიკა, რომელიც იყენებს უჯრედებსა და მოლეკულებს, რომლებიც ჩვეულებრივ გვხვდება ბუნებრივ ქსოვილებში (მათ მშობლიურ გარემოში), რათა შექმნან კონსტრუქციები ან დიზაინები, რომლებიც წააგავს "ნამდვილ" ბიოლოგიურ სტრუქტურებს. ბიობეჭდვის ეს კონკრეტული ტექნიკა აერთიანებს „მოლეკულურ თვითშეკრებას“ და „3D ბეჭდვას“ რთული ბიომოლეკულური სტრუქტურების შესაქმნელად. მოლეკულური თვითშეკრება არის პროცესი, რომლის დროსაც მოლეკულები დამოუკიდებლად იღებენ განსაზღვრულ განლაგებას კონკრეტული ამოცანის შესასრულებლად. ეს ტექნიკა აერთიანებს "სტრუქტურული მახასიათებლების მიკრო და მაკროსკოპულ კონტროლს", რომელსაც "3D ბეჭდვა" უზრუნველყოფს "მოლეკულური და ნანომასშტაბის კონტროლთან", რომელიც ჩართულია "მოლეკულური თვითშეკრებით". ის იყენებს მოლეკულური თვითშეკრების ძალას დაბეჭდილი უჯრედების სტიმულირებისთვის, რაც სხვაგვარად არის შეზღუდვა 3D ბეჭდვაში, როდესაც ჩვეულებრივი „3D ბეჭდვის მელანი“ არ იძლევა ამ საშუალებას.
მკვლევარებმა „ბიო მელნის“ სტრუქტურები „ჩანერგეს“, რომელიც მსგავსია მათი მშობლიური გარემოს სხეულში, რაც აიძულებს სტრუქტურებს ისე მოიქცეს, როგორც სხეულში. ეს ბიო-მელანი, რომელსაც ასევე უწოდებენ თვითშემწყობ მელანს, ხელს უწყობს ქიმიური და ფიზიკური თვისებების კონტროლს ან მოდულაციას ბეჭდვის დროს და მის შემდეგ, რაც შემდეგ საშუალებას აძლევს უჯრედების ქცევის შესაბამისად სტიმულირებას. უნიკალური მექანიზმი, როდესაც გამოიყენება ბიოპრინტიფიკაცია საშუალებას გვაძლევს გავაკეთოთ დაკვირვება, თუ როგორ მუშაობს ეს უჯრედები მათ გარემოში, რითაც გვაძლევს რეალური ბიოლოგიური სცენარის კადრს და გაგებას. ის ზრდის 3D ბიოლოგიური სტრუქტურების აგების შესაძლებლობას მრავალი ტიპის ბიომოლეკულების დაბეჭდვით, რომლებსაც შეუძლიათ კარგად განსაზღვრულ სტრუქტურებში აწყობა მრავალი მასშტაბით.
მომავალი ძალიან იმედისმომცემია!
ბიოპრინტერული კვლევა უკვე გამოიყენება სხვადასხვა ტიპის ქსოვილის გენერირებისთვის და, შესაბამისად, შეიძლება იყოს ძალიან მნიშვნელოვანი ქსოვილის ინჟინერიისა და რეგენერაციული მედიცინისთვის ტრანსპლანტაციისთვის შესაფერისი ქსოვილებისა და ორგანოების საჭიროების დასაკმაყოფილებლად - კანი, ძვალი, გრაფტები, გულის ქსოვილი და ა.შ. გარდა ამისა, ტექნიკა ხსნის შესაძლებლობების ფართო სპექტრს ბიოლოგიური სცენარების შესაქმნელად და შესაქმნელად, როგორიცაა რთული და სპეციფიკური უჯრედული გარემო, რათა მოხდეს ქსოვილების ინჟინერიის აყვავება რეალურად შექმნით ობიექტების ან კონსტრუქციების ციფრული კონტროლის ქვეშ და მოლეკულური სიზუსტით, რომლებიც წააგავს ან მიბაძავს სხეულის ქსოვილებს. ცოცხალი ქსოვილის, ძვლის, სისხლძარღვების და, პოტენციურად და მთლიანი ორგანოების მოდელების შექმნა შესაძლებელია სამედიცინო პროცედურების, ტრენინგის, ტესტირების, კვლევისა და წამლების აღმოჩენის ინიციატივებისთვის. პაციენტისთვის მორგებული კონსტრუქციების ძალიან სპეციფიკური თაობა დაგეხმარებათ ზუსტი, მიზანმიმართული და პერსონალიზებული მკურნალობის შემუშავებაში.
ბიობეჭდვისა და ზოგადად 3D ჭავლური ბეჭდვისთვის ერთ-ერთი ყველაზე დიდი დაბრკოლება იყო მოწინავე, დახვეწილი პროგრამული უზრუნველყოფის შემუშავება ბეჭდვის პირველ ეტაპზე გამოწვევის დასაკმაყოფილებლად - შესაბამისი დიზაინის ან გეგმის შექმნა. მაგალითად, არაცოცხალი ობიექტების გეგმა შეიძლება ადვილად შეიქმნას, მაგრამ როდესაც საქმე ეხება ციფრული მოდელების შექმნას, მაგალითად, ღვიძლის ან გულის, ეს რთული და არა პირდაპირი, როგორც მატერიალური ობიექტების უმეტესობა. ბიოპრინტს ნამდვილად აქვს მრავალი უპირატესობა - ზუსტი კონტროლი, განმეორებადობა და ინდივიდუალური დიზაინი, მაგრამ მაინც აწუხებს რამდენიმე გამოწვევას - ყველაზე მნიშვნელოვანი არის მრავალი ტიპის უჯრედის ჩართვა სივრცულ სტრუქტურაში, რადგან საცხოვრებელი გარემო დინამიურია და არა სტატიკური. ამ კვლევამ ხელი შეუწყო წინსვლას 3D ბიობეჭდვა და ბევრი დაბრკოლება შეიძლება მოიხსნას მათი პრინციპების დაცვით. ცხადია, რომ ბიობეჭდვის რეალურ წარმატებას რამდენიმე ასპექტი აქვს მიბმული. ყველაზე მნიშვნელოვანი ასპექტი, რომელსაც შეუძლია ბიობეჭდვის გაძლიერება, არის შესაბამისი და შესაბამისი ბიომასალის შემუშავება, ბეჭდვის გარჩევადობის გაძლიერება და ასევე ვასკულარიზაცია, რათა შეძლოთ ამ ტექნოლოგიის კლინიკურად წარმატებით გამოყენება. როგორც ჩანს, შეუძლებელია „შექმნა“ სრულად ფუნქციონირებადი და სიცოცხლისუნარიანი ორგანოები ადამიანის ტრანსპლანტაციისთვის ბიობეჭდვით, მაგრამ მიუხედავად ამისა, ეს სფერო სწრაფად პროგრესირებს და მრავალი განვითარება ახლა წინა პლანზეა სულ რამდენიმე წელიწადში. ეს მიღწევადი უნდა იყოს ბიოპრინტინგთან დაკავშირებული გამოწვევების უმეტესობის დასაძლევად, რადგან მკვლევარები და ბიოსამედიცინო ინჟინრები უკვე მიდიან წარმატებული რთული ბიობეჭდვის გზაზე.
ზოგიერთი პრობლემა ბიოპრინტინგთან დაკავშირებით
სფეროში წამოჭრილი კრიტიკული წერტილი ბიოპრინტიფიკაცია არის ის, რომ ამ ეტაპზე თითქმის შეუძლებელია ნებისმიერი ბიოლოგიური „პერსონალიზებული“ მკურნალობის ეფექტურობისა და უსაფრთხოების ტესტირება, რომელსაც სთავაზობენ პაციენტებს ამ ტექნიკის გამოყენებით. ასევე, ასეთ მკურნალობასთან დაკავშირებული ხარჯები დიდი პრობლემაა, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც საქმე ეხება წარმოებას. მართალია ძალიან შესაძლებელია ფუნქციური ორგანოების შემუშავება, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს ადამიანის ორგანოები, მაგრამ მაშინაც კი, ამჟამად არ არსებობს სულელური გზა იმის შესაფასებლად, მიიღებს თუ არა პაციენტის სხეული ახალ ქსოვილს ან ხელოვნურ ორგანოს და წარმატებული იქნება თუ არა ასეთი ტრანსპლანტაცია. ყველა.
ბიობეჭდვა მზარდი ბაზარია და ფოკუსირებული იქნება ქსოვილებისა და ორგანოების განვითარებაზე და შესაძლოა რამდენიმე ათწლეულში ახალი შედეგები 3D დაბეჭდილი ადამიანის ორგანოებში და ტრანსპლანტანტები. 3D ბიოპრინტიფიკაცია დარჩება ყველაზე მნიშვნელოვანი და შესაბამისი სამედიცინო განვითარება ჩვენს ცხოვრებაში.
***
{შეგიძლიათ წაიკითხოთ ორიგინალური კვლევითი ნაშრომი ციტირებულ წყარო(ებ)ის სიაში ქვემოთ მოცემულ DOI ბმულზე დაწკაპუნებით}
წყარო (ებ) ი
Hedegaard CL 2018. პეპტიდ-პროტეინის ბიოინკების ჰიდროდინამიკურად მართვადი იერარქიული თვითშეკრება. მოწინავე ფუნქციური მასალები. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
