25 mar 2020 (Nanowerk Spotlight) Biofabrication är en revolutionerande verktygslåda för regenerativ medicin som gör att celler och andra biomaterial kan kombineras exakt och mönstras till tredimensionella (3D) konstruktioner genom automatiserade, cellvänliga tillverkningsmetoder. En av dessa metoder är bioprinting, en additiv 3D-utskriftsmetod där vävnadstillväxt och cellers beteende kan kontrolleras och undersökas genom att bädda in dem i en delikat 3D-ram. 3D bioprinting är en mycket avancerad tillverkningsplattform som möjliggör utskrift av vävnad, och så småningom vitala organ, från celler. Detta skulle kunna öppna en ny värld av möjligheter för det medicinska området, samtidigt som det gynnar patienter som behöver ersättningsorgan. Under biotryckningens tidiga dagar, runt 2013, utgjorde bristen på utskrivbara material som kunde fungera som cellladdade biobläck, liksom begränsningarna för tryckning och monteringsmetoder, stora begränsningar för teknikens användbarhet. Saker och ting har förändrats sedan dess. Med snabb avancerad maskinvara för 3D-utskrift å ena sidan och biobläckmaterial å andra sidan, har biotillverkningstekniker tagit betydande fart och ger ett kraftfullt tillvägagångssätt för att tackla stora hinder i genereringen av konstruerade levande vävnader. Medan 3D-bioprinting fortfarande är i ett tidigt skede, pekar det anmärkningsvärda språng som det har gjort under de senaste åren på den slutliga verkligheten av labb-odlade, funktionella organ.
Möjliga tillvägagångssätt mot konvergensen av bioprinting och självorganisering för att styra mognaden av bioprintade konstruktioner mot generering av funktionella vävnader. Inspirerad av sammansättningen av vuxna, naturliga vävnader, kan multipla stamceller eller differentierade celler laddas i biobläck för att bygga vävnader eller organoider. I detta tillvägagångssätt kommer arkitekturen som påtvingas av tryckprocessen att prägla den celldrivna utvecklingen av vävnaden och dess efterföljande mognad. Alternativt kan specifika stam- och progenitorceller som har förmågan att autonomt organisera sig i submillimeter till millimeter organoider som uppvisar framträdande vävnadsegenskaper användas som mellanliggande byggstenar och som biobläckkomponenter. I båda processerna spelar de stimuli som tillhandahålls av biomaterialen, deras arkitektur och bioaktiva faktorer som ingår i biobläcken nyckelroller för att driva förvärvet av inhemska funktioner. (Återtryckt med tillstånd av Wiley-VCH Verlag) (klicka på bilden för att förstora) Biotryckta strukturer designas och studeras för ett brett spektrum av biomedicinska användningar. Till exempel har forskare visat 3D-bioprinting av levande strukturer med inbyggda kemiska sensorer eller skapa funktionella levervävnader. Andra potentiella användningsområden är transplanterbara transplantat för vävnadsrestaurering; Avancerad vitro modeller för att underlätta testning av droger; och potentiella alternativ till djurförsök. När det gäller byggmaterial i biotillverkningsprocesser kan i allmänhet två olika typer av tryckbara bläck urskiljas. En är biomaterial bläck används för att skriva ut cellulära strukturer på vilka celler sås eller som också kan användas som kirurgiska verktyg eller implantat efter tillverkning. Många olika material, inklusive termoplaster och metallpulver, kan bearbetas på det sättet. De andra typerna är biolänkar – utskrivbara formuleringar som innehåller levande celler. Dessa två olika typer av bläck har olika, ibland motsatta utskriftskrav. Det samtidiga behovet av dessa motsatta krav ledde till konceptualiseringen av biotillverkningsfönster, utbudet av materialegenskaper som lämpar sig både för tryckbarhet med hög formpålitlighet och för att stödja cellfunktion. I en färsk recension i Advanced Materials ("Från form till funktion: nästa steg i bioprinting"), sammanfattar författarna nyckelstrategier som har utökat biotillverkningsfönstret och som leder till förbättrad kontroll över formen. Med utgångspunkt i sådana framsteg inom materialvetenskap ligger deras huvudfokus på de nuvarande och framtida stegen mot att efterlikna framträdande funktioner hos levande vävnader, genom att skapa hierarkiskt strukturerade konstruktioner, särskilt när man använder biobläck som byggstenar för extruderingsbaserad bioprinting. Granskningen diskuterar effekten av biotryckta konstruktioner med förformad rumslig organisation för att underlätta vävnadsmorfogenes. Författarna lyfter fram den senaste och kommande utvecklingen inom biotillverkning som kan påverka nästa generation av konstruerade vävnader. De påpekar att de senaste framstegen inom hydrogeldesign tillsammans med utvecklingen av nya bioprinting-strategier har introducerat effektiva lösningar för att utöka biotillverkningsfönstret, vilket minskar behovet av att kompromissa med användningen av material som uppvisar tillfredsställande strukturella egenskaper, men ger en icke-optimal miljö. för att cellerna ska trivas. Cellfunktionalitet är nödvändig för båda vitro modeller och att gå vidare mot demonstrationen av tillämpbarheten av biotryckta konstruktioner som biomedicinska enheter som så småningom kan användas som klinisk lösning för att reparera skadade vävnader, och föra forskare ett steg närmare det ambitiösa målet med funktionell bioprinting. Trots dessa anmärkningsvärda framsteg börjar forskare bara utnyttja potentialen hos biotillverkning för att hjälpa till med återuppbyggnaden av fullt fungerande levande konstruerade vävnader. Slutligen uppmanar författarna att framtida strategier omfattar biologiska (utvecklings)processer och integrerar dem med biotrycktekniker för att ge konstruktioner med biologisk funktion mot det ambitiösa målet att skriva ut funktionella vävnader eller till och med hela organ.
By Michael Berger - Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright © Nanoverk
