تکنیک ها
چاپ زیستی چیست؟
چاپ زیستی چیست؟
چاپ زیستی روشی برای ساخت بافت های زنده از طریق چاپ سه بعدی (3D) سلول ها است.
چاپگرهای زیستی ، همانطور که یک چاپگر سه بعدی در حوزه مواد پلاستیکی و فلزی انجام می دهد ، لایه به لایه بافت تولید می کند ، و یک سر چاپی از همه جهات حرکت می کند تا سلول ها را در مکان مورد نیاز قرار دهد.
یکی از اولین چاپگرهای زیستی توسط Makoto Nakamura ساخته شد. وی متوجه شد كه چاپگرهای جوهر افشان استاندارد قطرات جوهر تولید می كنند كه تقریباً هم اندازه سلولهای انسانی هستند.
ماكوتو از فن آوری جوهر افشان برای ایجاد بیو پرینتر عملیاتی در سال 2008 استفاده كرد كه رگ خونی مصنوعی را چاپ می كند. وی از هیدروژل آلژینات با نازل چاپگر جوهر افشان تجاری مخلوط با بستر ساخته شده از محلول کلرید کلسیم استفاده کرد.
اگرچه از چاپ سه بعدی معمولی الگوبرداری شده است ، اما چاپ زیستی بسیار پیچیده تر است. بازآفرینی بافت ها و اندام ها نیز نیاز به بازسازی ساختارها و عملکردهای درون بافت دارد ، از جمله شبکه های سیگنالینگ ، فعل و انفعالات سلولی ، انواع مختلف سلول و فعالیت فیزیولوژیکی.
رویکردهای متداول مهندسی بافت معمولاً از نوعی داربست سه بعدی ساخته شده برای ایجاد ساختار سلول سه بعدی استفاده می کنند. با این حال ، این روش ها قادر به تولید مثل ساختارهای داخلی پیچیده بافت ها نیستند.
چاپ بیولوژیک از این نظر دارای مزیت است که رویکرد افزودنی آن امکان ساخت و فرآوری ساختارهای ظریف 3D را در بافت با کنترل دقیق موقعیت سلول ها فراهم می کند.
Bioinks
چاپگرهای سه بعدی معمولاً از جوهرهای غیر زیست سازگار استفاده می کنند که غالباً حاوی حلال های آلی سمی هستند و یا در شرایط سخت محیطی ساخته می شوند. توسعه جوهرهای زیست سازگار یکی از اولین چالش هایی است که باید در چاپ زیستی برطرف شود. یک سیستم طبقه بندی چهار سطح برای جوهرهای چاپگر سه بعدی ارائه شده است. دسته ها به شرح زیر است:
- سطح 1: جوهر برای چاپ مواد غیر زیست سازگار مانند مدل سه بعدی بر اساس داده های سی تی اسکن
- سطح 2: جوهر برای چاپ با مواد زیست سازگار مانند پروتزهای سه بعدی درخواستی
- سطح 3: جوهر برای مهندسی بافت برای مواد زیست تخریب پذیر
- سطح 4: جوهر برای مهندسی بافت از نظر بیولوژیکی مربوط به مواد با استفاده از اجزایی مانند سلولهای زنده و ماتریسهای خارج سلول است.
یک bioink ایده آل برای ساخت اندام باید دارای دو ویژگی اصلی باشد. اول ، باید از ویژگی های فیزیکی و شیمیایی بهینه برخوردار باشد. دوم ، باید سازگار با سلول باشد و بتواند در طی رشد ، بلوغ و بازسازی بافت ، متابولیسم بازسازی ماتریس را با واسطه سلول انجام دهد.
ویژگی های دیگری که باید در bioink در نظر گرفته شود شامل ویسکوزیته ، ویسیکوالاستیسیته ، سینتیک ژلاتین ، هیدراتاسیون و تجزیه بیولوژیکی است. مواد اولیه واقعی مانند ماتریکس خارج سلولی ، مولکول های زیستی و سلول های زنده برای چاپ زیستی مطلوب هستند.
فناوری های چاپ بیولوژیک
تعدادی از فن آوری های مختلف برای امکان چاپ زیستی تولید شده است.
چاپ زیستی مبتنی بر جت
این نوع چاپ زیستی شبیه چاپگر جوهر افشان است. ساختارها از طریق لایه بندی قطرات bioink روی یک لایه ایجاد می شوند. قطرات را می توان از طریق تکنیک حرارتی ، توسط محرک پیزوالکتریک ، از طریق استفاده از لیزر یا فشار پنوماتیک تولید کرد.
تکنیک های چاپ زیستی مبتنی بر جت از وضوح خوبی برخوردار هستند ، اما می توانند کند باشند. همچنین استفاده از مواد با ویسکوزیته بالا تکنیک مناسبی نیست ، زیرا آنها قطرات حجمی پیکولیت را تشکیل نمی دهند.
چاپ زیستی مبتنی بر اکستروژن
در یک سیستم مبتنی بر اکستروژن ، رشته های مداوم مخلوط هیدروژل برای ساخت ساختار توزیع می شود. این روش می تواند مواد متنوعی را نسبت به چاپ زیستی مبتنی بر جت در خود جای دهد.
چاپ بیولوژیک مجتمع
برخی از فن آوری های چاپ ترکیبی ، یک بیوپلیمر مصنوعی را با یک هیدروژل حاوی سلول ترکیب می کنند تا ساختارهای بافتی با مقاومت مکانیکی بالاتر ایجاد کنند. بخش مصنوعی این ماده از ساختارهای سه بعدی پشتیبانی می کند.
کاربرد های چاپ زیستی
چاپ زیستی شامل استفاده از فناوری چاپ سه بعدی برای ساختن بافت ها و اندام ها است.
اولین مرحله چاپ بیولوژیکی ایجاد مدلی از اندام با استفاده از نمونه های بیوپسی ، سی تی اسکن و MRI است. سپس ، برای ایجاد ساختارهای بافت مانند ، مخلوطی از سلول و مواد مغذی (که به آن bioink گفته می شود) به داربست اضافه می شود.
چاپ بیولوژی دقیقاً سلول ها ، پروتئین ها ، DNA ، ذرات دارو ، فاکتورهای رشد و ذرات فعال بیولوژیکی را به طور مکانی قرار می دهد تا تولید و تشکیل بافت را هدایت کند. این مورد در چندین زمینه تحصیلی ، از جمله مهندسی بافت و پزشکی احیاکننده ، پیوند و کلینیک ها ، غربالگری دارو و سنجش های با بازده بالا و تحقیقات سرطان استفاده شده است.
مهندسی بافت و پزشکی بازساختی
چاپ زیستی اندامهای عملکردی یک کار چالش برانگیز است زیرا نیاز به اتصال به شبکه عروقی ، رگها و مویرگها دارد. ترکیب انواع سلول های مختلف برای تشکیل ساختار پیچیده بافت ؛ یکپارچگی مکانیکی و ساختاری.
با وجود این محدودیت ها ، چندین بافت نازک یا توخالی مانند رگ های خونی و بافت هایی که نیازی به عروق مانند غضروف ندارند ، با موفقیت چاپ مجدد شده اند. برای تولید بافت قلب بیو پرینت ، اسفروئیدهای بافتی سلولهای اندوتلیال عروقی انسان (HUVECs) و سلولهای قلبی تولید شدند.
پس از چاپ بیولوژیکی ، اسفروئیدهای بافتی ادغام شده و یک پچ بافت قلب را به طور همزمان فرم میدهد. با این حال ، تلاش های بیشتری برای مهندسی بافت چنین عضو پیچیده ای از نظر ساختاری و عملکردی لازم است. مهندسی بافت یک بافت غضروف نیاز به موقعیت فضایی و زمانی دقیق سلولها و مواد بیولوژیکی با الگوهای پیچیده دارد.
اگرچه پیشرفت زیادی در چاپ غضروف های مفصلی طبقه بندی شده با استفاده از کندروسیت سلول های تمایزیافته بنیادی حاصل شده است ، اما ایجاد غضروف هایی با ویژگی های مختلف ساختاری ، بیومکانیکی و بیولوژیکی هنوز یک چالش است و در حال انجام است.
یکی دیگر از زمینه های مهم در زمینه مهندسی بافت ایجاد دریچه های قلب است ، زیرا آنها از قابلیت بازسازی برخوردار نیستند و در صورت آسیب دیدن نیاز به جایگزینی با پروتزهای مکانیکی یا بیولوژیکی دارند. مطالعات نشان داده است که هندسه های متقارن محوری دقیق دریچه آئورت می توانند از طریق چاپ زیستی چاپ شوند.
مطالعات مشابهی در مورد بافتهای کبدی ، ریه ، لوزالمعده ، مغز و پوست انجام شده است. در چندین مورد ، ارگانوئیدهای بافتی مهندسی شده تولید شده اند. با این حال ، تحقیقات بیشتر برای ایجاد یک ساختار سه بعدی مکانیکی پایدار و متصل به عروق مورد نیاز است.
چاپ بیولوژیک برای پیوند بافت
چندین نوع بافت بیو پرینت شده ، از جمله عصب ، قلب ، رگ های خونی ، استخوان و پوست ، به حیوانات پیوند داده شده است تا عملکرد آنها در یک میزبان بررسی شود. چنین مطالعاتی هنوز به دلیل عدم تأییدیه FDA در انسان انجام نشده است.
با این حال ، کاشت های پلاستیکی ، سرامیکی یا فلزی چاپ سه بعدی برای جایگزینی بافت استخوان با موفقیت انجام شده است. هیچ عارضه جانبی پس از جراحی مشاهده نشد. چالش های پیوند بافت و اندام های بیو پرینت شده شامل تکثیر عروق و حالت متابولیکی اندام است.
یکی از راه حل های جایگزین این مشکل در محل انجام چاپ ، میتواند چاپ بیولوژیکی در بافت و اندام به صورت مستقیم باشد و نه چاپ کامل بافت در خارج ، بلوغ سازی بافت و آزمایش آنها در شرایط آزمایشگاهی قبل از پیوند. چاپ بی رویه بافت در محل می تواند منجر به استخراج سلولهای اندوتلیال و اختلاط در عروق میزبان شود.
غربالگری دارویی و توان مصرفی بالا
کشف دارو شامل آزمایش تعداد زیادی از مولکولهای موردنظر است که نیاز به سرمایه گذاری هنگفتی از پول و منابع انسانی دارد. مدلهای سه بعدی بافت بیو پرینت می توانند در آزمایش اثربخشی داروهای کاندیدا کمک کنند زیرا آنها بافت بومی را خیلی نزدیک تقلید می کنند و می توانند با ساخت در ریزآرایه ها به روشی با بازده بالا ایجاد شوند.
بافت های بیو پرینت شده را می توان از نظر اندازه و معماری در سطح میکرو ، توانایی توان عملیاتی بالا ، توانایی co-culture کنترل کرد و دارای آلودگی متقاطع کم خطر است. به عنوان مثال ، از مدل میکرو ارگانهای کبدی بیوپرینت شده میتوان برای آزمایش متابولیسم دارو استفاده کرد.
بیوپرینت و سرطان
اشکال اصلی مدل های تومور دو بعدی این است که آنها از نظر فیزیولوژیکی معرف خوبی برای محیط مربوطه نیستند زیرا فاقد فعل و انفعالات سه بعدی با سلول ها و بسترهای همسایه هستند. بنابراین ، چاپ زیستی یک حالت برای درک فعل و انفعالات سلولی در سه بعد برای ایجاد مشاهدات بالینی مربوط به پاتوژنز و متاستاز سرطان ارائه می دهد.
به عنوان مثال ، سلول های سرطانی تخمدان انسان (OVCAR-5) و فیبروبلاست های MRC-5 با استفاده از یک چاپ زیستی مبتنی بر جوهر افشان چاپ مجدد شدند. علاوه بر این ، چاپ زیستی بدون داربست یک مدل سرطان پستان نشان داده شده است که سلول های سرطانی توسط یک محیط استرومایی فیزیولوژیکی مرتبط شامل سلول های چربی متمایزشده از MSC ، فیبروبلاست های پستانی و سلول های اندوتلیال احاطه شده اند.
این بافت ها به مدت 2 هفته در شرایط in vitro با تقسیم بندی شفاف انواع مختلف بافت زنده بودند. سپس از این مدل برای بررسی تأثیر داروهای شیمی درمانی مختلف از جمله تاموکسیفن استفاده شد.
چاپ زیستی در پزشکی
چاپ زیستی علمی بسیار جدید با کاربردهای بالقوه گسترده ای است. برخی از نمونه های برنامه هایی که مورد بررسی قرار گرفته اند یا در حال توسعه هستند ، در زیر آورده شده است.
تصویربرداری پزشکی
چاپ زیستی را می توان با فناوری CAD ترکیب کرد و مدل های سه بعدی را بر اساس تصاویر پزشکی بیمار ساخت. تصاویر به طور معمول از اسکن CT و MRI جمع آوری می شوند ، اما سایر روش های تصویربرداری مانند سونوگرافی یا آنژیوگرافی نیز استفاده شده است.
ترمیم قلب
دریچه های قلب جایگزین پروتز با میزان بالایی از عوارض مانند نقص مکانیکی و کلسیفیکاسیون همراه هستند. یک روش برای تعویض دریچه قلب ، از چاپ زیستی مبتنی بر اکستروژن برای ساخت یک مجرای دریچه قلب متشکل از سلول های بینابینی هیدروژل و دریچه آئورت انسان استفاده می کند.
نتایج نشان داد که دریچه قابل دوام است و مطالعات بعدی ثابت کرد که می توان با چاپ بیولوژیک یک مجرای پیچیده دریچه آئورت زنده ساخت. در مطالعه ای دیگر ، چاپ زیستی به کمک لیزر برای ایجاد تکه ای برای بازسازی بافت قلب از سلولهای اندوتلیال ورید ناف انسان و سلول های بنیادی مزانشیمی استفاده شد.
چاپ عضله و استخوان
از فناوری چاپ زیستی می توان برای بازسازی استخوان و غضروف استفاده کرد. سلول ها از طریق چاپ زیستی مبتنی بر اکستروژن تحویل می شوند. سلولهای چاپ شده به این روش برای حفظ زنده مانی نشان داده شد و تمایز استخوانی را نشان داد.
ترمیم آسیب عصبی
محققان پیوندهای عصبی بدون داربست را برای بازسازی آسیب عصب محیطی ساخته اند. پیوند حاصل در موش صحرایی کاشته شد و آکسونها در ریشه پروگزیمال رشد کردند تا به قسمت دیستال عصب سیاتیک در چاپ برسند.
بافت پوست
چاپ بیولوژیک مبتنی بر جت برای ایجاد بافت پوست چند لایه بیومیمتیک متشکل از فیبروبلاست و کراتینوسیت پوست انسان استفاده شده است. در این برنامه ، سلولها و هیدروژل کلاژن به طور جداگانه چاپ شدند. بافت حاصل از آن تشکیل لایه هایی شبیه لایه های درمال و اپیدرمال پوستی را نشان داد. و یک چاپگر درجا برای چاپ سلولهای پوست به طور مستقیم بر روی بدن برای ایجاد زخم های سوختگی ساخته شده است.
چاپ زیستی تجاری
ارگانوو ، از سن دیگو ، کالیفرنیا ، اولین شرکتی بود که چاپ چاپ سه بعدی را تجاری کرد. محصول بیو پرینت آن می تواند بافت های مختلفی را برای بازسازی یا پیوند جراحی چاپ کند. از بافت کبد انسانی آن برای غربالگری ترکیبات دارویی برای درمان استئو هپاتیت غیر الکلی و از مدل روده انسانی آن می توان برای بررسی سمیت و التهاب استفاده کرد.
همچنین بخوانید…
خدمات کشت سلول آزمایشگاه ژنیران
سلام شما آموزش بایوپرینت هم دارید
سلام در حال حاضر خیر