3D биопечать. Основы технологии.

Источник фото

Это далеко не новая, но очень интересная и развивающаяся отрасль.
3D-печать используется во многих сферах: промышленность, искусство, создание потребительских товаров (различных деталей), наука, образование и медицина.
Достижения науки привели к возможности использовать 3D-принтеры для печати биосовместимых материалов, органов и тканей для их последующей трансплантации.

Метод 3D-печати был впервые описан в 1986 году Чарльзом В. Халлом. Его метод назван - «стереолитография»: тонкие слои материала, затвердевают под действием ультрафиолетовых лучей, последовательно формируют слои твердой трехмерной структуры. 3D-биопечать уже использовалась для генерации и трансплантации некоторых тканей, кожи, костей, сосудистых трансплантатов,тканей сердца и хрящевых структур. Другие возможности включают разработку моделей с высокой пропускной способностью 3D-биопринтеров для исследований, обнаружения лекарств и токсикологии.

КАК ЖЕ РАБОТАЕТ 3D ПРИНТЕР?
Сначала создается на компьютере образец в формате STL-файла (формат файла, используемый для хранения трёхмерных моделей объектов. И необходимым этапом является визуализация.
Производят моделирование с помощью компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии для создания трехмерной модели.

После чего происходит сам процесс печати. Заключается он в повторяющихся циклах - нанесение на рабочий стол (элеватор) принтера слоя расходных материалов, перемещением рабочего стола вниз на уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов. Циклы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий, элеватор снова опускается и так до тех пор, пока на рабочем столе не окажется готовое изделие.

Проблема заключается в преобразовании технологии, которая создана для печати пластика, для печати живых биологических материалов. Итак, какие способы 3D-печати используют:
Струйная биопечать. На задаваемые программой области подается определенное количество жидкости, которая должна сформировать 3D объект со структурной организацией и функциональностью. Объём капель - от одного до трёхсот пиколитров, частота в пределах от одной до десяти тысяч капель в секунду. Выделяют два вида

• термальные струйные принтеры(вещество прходит через нагревательный элемент, образуюся газовые пузырьки, которые вытесняют жидкость)
• принтеры с пьезоэлектрическихь кристаллом, при помощи звуковой волны внутри головки принтера, заставляет жидкость распыляться на мелкие капли.

Достоинства:

• низкая стоимость,
• высокая разрешающая способность,
• большая скорость печати
• совместимость со многими биологическим материалами.
• способность создавать градиент концентрации клеток, тканей или факторов роста по всей площади 3D структуры, посредством изменения размеров и плотности капель.

Недостатки:

• ограничения по вязкости материалов, связанные с силой, требуемой для экстракции капель растворов высокой вязкости.
• биологические материалы должны находиться в жидкой форме для образования капелек.

Струйная биопечать нашла применение для регенерации кожи и хрящей. Проводят эксперименты по пересадке таких изготовленных объектов мышам, получены положительные результаты.

Микроэкструзионная печать. Экструзия - получение объекта путем продавливания вязкого материала через формующее отверстие (экструзионную головку).

Достоинства:

• возможность наложения клеток с высокой плотностью
• метод совместим с широким спектром жидкостей и биосовместимыми материалами, которые могут менять свои свойства в зависимости от изменений температуры окружающей среды. Это позволяет их экструдировать вместе с другими компонентами, но после попадания в другую температуру (температуру тела человека, например), они становятся стабильным объектом.

Недостаток:

• низкая жизнеспособность полученного материала (частота выживания от 40 до 86%), которая возможно обусловлена стрессом, получаемым клетками во время экструзии.

Применение: печать различных тканей, например, крапанов аорты, сосудов, моделей опухолей.

Лазер-опосредованная печать LAB (Laser-assisted bioprinting). Клеточный материал переносится с подложки с лазер-поглощающим слоем на подложку коллектора при помощи сфокусированных лазерных пучков за счет образования пузыря высокого давления. Так как в таком механизме отсутствуют элементы типа насадок LAB установка может печатать живыми клетками с незначительным воздействием на их жизнеспособность. Однако для достижения необходимой стабильности формы при помощи такой установки требуется быстрая кинетика гелеобразования, также отдельную сложность представляет точное позиционирование клеток и присутствие в итоговом объекте следов металлических компонентов из-за испарения металлического лазер-поглощающего слоя во время печати.

Достоинства

• высокая жизнеспособность полученного материала

Недостатки

• занимает много времени
• высокая стоимость

Технология была успешно применена для биологического материала: пептиды, ДНК и клетки In vivo. LAB была использована для нанесения нано-гидроксиапатита на свод черепа мыши.

Важным этапом является выбор материала.
Используют материал природного происхождения (полимеры желатина, коллагена, хитозана, фибрина и гиалуроновой кислоты), или синтезируемый материал (полиэтиленгликоль).

Преимуществом природных материалов являются их сходство с человеческим межклеточным матриксом и свойственная им биологическая активность.
Преимуществом синтетических материалов является их возможность адаптироваться по специфическими физическими свойствами в соответствии с конкретными приложениями.
Проблемы при использовании синтетических полимеров включают плохую биосовместимость, токсичные продукты распада и потерю механических свойств при распаде. Однако, синтетические гидрогели, которые являются гидрофильными и абсорбирующими, подходят для 3D биопечати, благодаря легкости контроля за их физическими свойствами в процессе синтеза.

Материал для печати должен обладать следующими свойствами:

• биологическая совместимость с реципиентом
• скорость распада должна быть равна скорости воспроизведения клетками, нетоксичность продуктов распада
• материалы должны соответствовать жесткости и функциональности конструкции.

В ходе движения на пути от простого к более сложному исследователям предстоит столкнуться с серьезными проблемами, включая требования к материалам и клеткам, процессы созревания и функционирования тканей, необходимость васкуляризации и иннтервации.

Итак, вопрос 3D биопечати не закрыт, т к технологии непрерывно развиваются. По мере появления новых данных по теме - буду ее освещать, подписывайтесь чтобы не пропустить!