Naukowcy odwrócili tradycyjne drukowanie 3D, aby stworzyć jedne z najbardziej skomplikowanych struktur biomedycznych.
Naukowcy odwrócili tradycyjne drukowanie 3D, aby stworzyć jedne z najbardziej skomplikowanych struktur biomedycznych, rozwijając nowe technologie odbudowy kości i tkanek.
Powstająca dziedzina inżynierii tkankowej ma na celu wykorzystanie naturalnej zdolności ludzkiego organizmu do samoleczenia, odbudowy kości i mięśni utraconych w wyniku guzów lub urazów. Kluczowym celem inżynierów biomedycznych było projektowanie i opracowywanie rusztowań drukowanych w 3D, które można wszczepiać do organizmu w celu wspomagania odrastania komórek. Jednak uczynienie tych struktur wystarczająco małymi i złożonymi, aby komórki mogły się rozwijać, pozostaje poważnym wyzwaniem.
Wejdź do zespołu badawczego kierowanego przez RMIT University, współpracującego z klinicystami ze szpitala St Vincent’s w Melbourne w Australii, którzy odrzucili konwencjonalne podejście do drukowania 3D.
Zamiast tworzyć biorusztowania bezpośrednio, zespół wydrukował w 3D formy z wnękami o skomplikowanych wzorach, a następnie wypełnił je biokompatybilnymi materiałami, a następnie rozpuścił formy.
Stosując podejście pośrednie, zespół stworzył biorusztowania wielkości paznokcia, pełne skomplikowanych struktur, które do tej pory uważano za niemożliwe w przypadku standardowych drukarek 3D.
Główny badacz dr Cathal O’Connell powiedział, że nowa metoda biofabrykacji jest opłacalna i łatwa do skalowania, ponieważ opiera się na powszechnie dostępnej technologii. „Kształty, które można wykonać za pomocą standardowej drukarki 3D, są ograniczone rozmiarem dyszy drukującej — otwór musi być wystarczająco duży, aby przepuszczał materiał, co ostatecznie wpływa na to, jak małe można drukować” — powiedział O’Connell. „Ale luki między drukowanymi materiałami mogą być znacznie mniejsze i znacznie bardziej skomplikowane.
„Odwracając nasze myślenie, zasadniczo rysujemy pożądaną strukturę w pustej przestrzeni wewnątrz naszej drukowanej formy 3D. To pozwala nam tworzyć maleńkie, złożone mikrostruktury, w których komórki będą się rozwijać”.
Wszechstronna technika
O’Connell powiedział, że inne podejścia były w stanie stworzyć imponujące struktury, ale tylko z precyzyjnie dobranymi materiałami, dostrojonymi konkretnymi dodatkami lub zmodyfikowanymi specjalną chemią.
„Co ważne, nasza technika jest wystarczająco wszechstronna, aby używać gotowych materiałów medycznych” – powiedział. „To niezwykłe tworzyć tak złożone kształty za pomocą podstawowej drukarki 3D klasy licealnej. To naprawdę obniża poprzeczkę do wejścia w pole i przybliża nas o znaczący krok do uczynienia inżynierii tkankowej rzeczywistością medyczną”.
Badania, opublikowane w Advanced Materials Technologies , przeprowadzono w BioFab3D@ACMD, najnowocześniejszym centrum badań, edukacji i szkoleń w dziedzinie bioinżynierii, zlokalizowanym w szpitalu St Vincent’s w Melbourne.
Profesor Claudia Di Bella, ortopeda ze szpitala St Vincent’s Hospital w Melbourne i współautorka projektu, powiedziała, że badanie pokazuje możliwości, które otwierają się, gdy klinicyści, inżynierowie i naukowcy biomedyczni spotykają się, aby rozwiązać problem kliniczny.
„Częstym problemem, z którym borykają się klinicyści, jest brak dostępu do eksperymentalnych rozwiązań technologicznych problemów, z którymi borykają się na co dzień” – powiedział Di Bella. „Podczas gdy klinicysta jest najlepszym profesjonalistą, który rozpozna problem i zastanowi się nad potencjalnymi rozwiązaniami, inżynierowie biomedyczni mogą urzeczywistnić ten pomysł.
„Nauka mówienia wspólnym językiem w inżynierii i medycynie jest często początkową barierą, ale gdy ją pokonamy, możliwości są nieograniczone”.
Zestaw narzędzi do przyszłego leczenia
Obecnie istnieje niewiele opcji leczenia dla osób, które tracą znaczną ilość kości lub tkanki z powodu choroby lub urazu, wykonując amputację lub implanty metalowe, aby wypełnić lukę w powszechnych wynikach.
Chociaż na całym świecie przeprowadzono kilka prób klinicznych inżynierii tkankowej, kluczowe wyzwania bioinżynierii wciąż wymagają rozwiązania, aby technologia biodruku 3D stała się standardową częścią zestawu narzędzi chirurga.
W ortopedii głównym problemem jest opracowanie biorusztowania, które działa zarówno na kości, jak i na chrząstkę. „Nasza nowa metoda jest tak precyzyjna, że tworzymy wyspecjalizowane mikrostruktury wzrostu kości i chrząstki w jednym biorusztowaniu” – powiedział O’Connell. „To chirurgiczny ideał – jedno zintegrowane rusztowanie, które może wspierać oba typy komórek, aby lepiej odtworzyć sposób, w jaki działa organizm”.
Testy na ludzkich komórkach wykazały, że biorusztowania zbudowane nową metodą są bezpieczne i nietoksyczne.
Kolejnymi krokami dla naukowców będą testowanie projektów optymalizujących regenerację komórek i badanie wpływu różnych kombinacji materiałów biokompatybilnych na odrastanie komórek.
Krok po kroku: Jak odwrócić wydruk biorusztowania
Nowa metoda – którą naukowcy nazwali drukowaniem Negative Embodied Sacrificial Template 3D (NEST3D) – wykorzystuje prosty klej PVA jako podstawę drukowanej formy 3D. Gdy biokompatybilny materiał wstrzyknięty do formy stwardnieje, cała konstrukcja jest umieszczana w wodzie w celu rozpuszczenia kleju, pozostawiając tylko biorusztowanie odżywiające komórki.
Stephanie Doyle, pierwsza autorka badania, powiedziała, że metoda umożliwiła naukowcom szybkie testowanie kombinacji materiałów w celu zidentyfikowania tych, które są najskuteczniejsze dla wzrostu komórek.
„Zaletą naszej zaawansowanej techniki formowania wtryskowego jest jej wszechstronność” – powiedział Doyle. „Możemy wyprodukować dziesiątki próbnych biorusztowań z różnych materiałów – od biodegradowalnych polimerów po hydrożele, silikony i ceramikę – bez potrzeby rygorystycznej optymalizacji lub specjalistycznego sprzętu.
„Jesteśmy w stanie wyprodukować struktury 3D o średnicy zaledwie 200 mikronów, szerokości 4 ludzkich włosów io złożoności, która dorównuje tej, jaką można osiągnąć za pomocą technik wytwarzania opartych na świetle. Może to być potężny akcelerator dla badań nad biofabrykacją i inżynierią tkankową”.
