3D биопринтинг техникасынын негизги прогрессинде клеткалар жана ткандар "чыныгы" биологиялык структураларды куруу үчүн табигый чөйрөдө өзүн алып жүрүү үчүн жаратылган.
3D басып чыгаруу – бул материалды бириктирип, ошентип компьютердин санариптик башкаруусу астында үч өлчөмдүү объектти же объектини түзүү үчүн бириктирип же бекемдеп турган процедура. Тез прототиптөө жана кошумча өндүрүш – бул татаал объектилерди же объектилерди материалды катмарлап, акырындык менен куруу же жөн гана "кошумча" ыкма менен түзүү ыкмасын сүрөттөө үчүн колдонулган башка терминдер. Бул укмуштуудай технология 1987-жылы расмий түрдө ачылгандан кийин отуз жылдан бери бар, жакында эле ал прототиптерди өндүрүүнүн каражаты катары гана эмес, толук кандуу функционалдык компоненттерди сунуштоо катары көңүл чордонунда болуп, популярдуулукка ээ болду. 3D басып чыгаруунун мүмкүнчүлүктөрү ушунчалык чоң болгондуктан, ал азыр инженерия, өндүрүш жана медицина сыяктуу көптөгөн тармактарда ири инновацияларды жаратууда.
Акыркы натыйжага жетүү үчүн бирдей кадамдарды жасаган ар кандай кошумча өндүрүш ыкмалары бар. Биринчи маанилүү кадамда дизайн компьютердеги CAD (Компьютердик жардам менен долбоорлоо) программасын колдонуу менен түзүлөт - бул санариптик чийме деп аталат. Бул программалык камсыздоо акыркы түзүлүштүн кандайча пайда болорун жана кандайча иштээрин алдын ала айта алат, ошондуктан бул биринчи кадам жакшы натыйжа үчүн абдан маанилүү. Андан кийин бул CAD дизайны 3D принтердин дизайн көрсөтмөлөрүн чечмелей алышы үчүн талап кылынган техникалык форматка (.stl файлы же стандарттуу тесселляция тили деп аталат) айландырылат. Андан кийин, чыныгы басып чыгаруу үчүн 3D принтерди орнотуу керек (кадимки, үй же кеңсе 2D принтерине окшош) - буга өлчөмдү жана багытты конфигурациялоо, пейзаждык же тигинен басып чыгарууну тандоо, принтер картридждерин туура порошок менен толтуруу кирет. Андан кийин 3D принтер басып чыгаруу процессин баштайт, дизайнды акырындык менен материалдын бир микроскопиялык катмары менен курат. Бул катмар адатта 0.1 мм калыңдыкта болот, бирок аны басып чыгарылып жаткан белгилүү бир объектке ылайыкташтырууга болот. Бүткүл процедура көбүнчө автоматташтырылган жана эч кандай физикалык кийлигишүү талап кылынбайт, туура иштешин камсыз кылуу үчүн мезгил-мезгили менен текшерүүлөр гана жүргүзүлөт. Белгилүү бир объектти бүтүрүү үчүн долбоордун көлөмүнө жана татаалдыгына жараша бир нече сааттан бир нече күнгө чейин убакыт талап кылынат. Андан тышкары, ал "кошумча" методология болгондуктан, ал үнөмдүү, экологиялык жактан таза (ысырапсыз) жана ошондой эле долбоорлор үчүн алда канча кеңири мүмкүнчүлүктөрдү берет.
Кийинки деңгээл: 3D Bioprinting
Биопринтинг - бул салттуу 3D басып чыгаруунун кеңейтилген түрү, акыркы жетишкендиктер 3D басып чыгарууну биологиялык тирүү материалдарга колдонууга мүмкүндүк берет. 3D сыя агымы менен басып чыгаруу алдыңкы медициналык шаймандарды жана шаймандарды иштеп чыгуу жана өндүрүү үчүн колдонулуп жаткан болсо, биологиялык молекулаларды басып чыгаруу, көрүү жана түшүнүү үчүн дагы бир кадам иштелип чыгышы керек. Маанилүү айырмачылык, сыя агымы менен басып чыгаруудан айырмаланып, биобасып чыгаруу тирүү клетка структураларынан турган био-сыяга негизделген. Ошентип, биобасып чыгарууда белгилүү бир санариптик модель киргизилгенде, белгилүү бир тирүү ткань басылып чыгарылып, катмар-катмар курулат. Тирүү дененин өтө татаал клеткалык компоненттеринен улам, 3D биобасып чыгаруу жай өнүгүп жатат жана материалдарды, клеткаларды, факторлорду, ткандарды тандоо сыяктуу татаалдыктар кошумча процедуралык кыйынчылыктарды жаратууда. Бул татаалдыктарды биология, физика жана медицина сыяктуу тармактар аралык технологияларды интеграциялоо аркылуу түшүнүүнү кеңейтүү менен чечүүгө болот.
Биопринтинг боюнча ири прогресс
Advanced Functional Materials журналында жарыяланган изилдөөдө изилдөөчүлөр табигый ткандарда (алардын табигый чөйрөсүндө) кадимкидей кездешкен клеткаларды жана молекулаларды колдонуп, "чыныгы" биологиялык түзүлүштөргө окшош конструкцияларды же долбоорлорду түзүүчү 3D биобасып чыгаруу ыкмасын иштеп чыгышты. Бул биобасып чыгаруу ыкмасы татаал биомолекулярдык түзүлүштөрдү түзүү үчүн "молекулярдык өзүн-өзү чогултууну" "3D басып чыгаруу" менен айкалыштырат. Молекулярдык өзүн-өзү чогултуу - бул молекулалар белгилүү бир тапшырманы аткаруу үчүн өз алдынча аныкталган тартипти кабыл алган процесс. Бул ыкма "3D басып чыгаруу" камсыз кылган "структуралык өзгөчөлүктөрдү микро жана макроскопиялык башкарууну" "молекулярдык өзүн-өзү чогултуу" аркылуу иштетилген "молекулярдык жана нано масштабдуу башкаруу" менен бириктирет. Ал басып чыгарылып жаткан клеткаларды стимулдаштыруу үчүн молекулярдык өзүн-өзү чогултуунун күчүн колдонот, башкача айтканда, бул 3D басып чыгарууда чектөө болуп саналат, анткени кадимки "3D басып чыгаруу сыясы" муну камсыз кылбайт.
Изилдөөчүлөр дененин ичиндеги табигый чөйрөгө окшош "био сыяга" структураларды "киргизишти", бул структуралардын денедегидей иштешин камсыз кылат. Бул био сыя, ошондой эле өзүн-өзү чогултуучу сыя деп аталат, басып чыгаруу учурунда жана андан кийин химиялык жана физикалык касиеттерди көзөмөлдөөгө же модуляциялоого жардам берет, бул андан кийин клеткалардын жүрүм-турумун ошого жараша стимулдаштырууга мүмкүндүк берет. Биопринтингге колдонулганда уникалдуу механизм бизге бул клеткалардын өз чөйрөсүндө кандайча иштээрин байкоо жүргүзүүгө мүмкүндүк берет, ошону менен бизге реалдуу биологиялык сценарийдин кыскача сүрөттөлүшүн жана түшүнүгүн берет. Бул бир нече масштабда так аныкталган структураларга чогула турган бир нече типтеги биомолекулаларды басып чыгаруу менен 3D биологиялык структураларды куруу мүмкүнчүлүгүн жогорулатат.
Келечек абдан үмүттүү!
Биопринтинг изилдөөлөрү ткандардын ар кандай түрлөрүн түзүү үчүн колдонулууда жана ткандардын инженериясы жана регенеративдик медицина үчүн трансплантацияга ылайыктуу ткандарга жана органдарга - тери, сөөк, трансплантация, жүрөк ткандары ж.б. муктаждыктарын чечүү үчүн абдан маанилүү болушу мүмкүн. Андан ары, техника денедеги кыртыштарга окшош же тууроочу - санариптик көзөмөл астында жана молекулярдык тактык менен объекттерди же конструкцияларды чындап түзүү аркылуу кыртыш инженериясынын гүлдөшүнө шарт түзүү үчүн татаал жана өзгөчө клетка чөйрөлөрү сыяктуу биологиялык сценарийлерди долбоорлоо жана түзүү үчүн кеңири мүмкүнчүлүктөрдү ачат. Тирүү ткандарды, сөөктөрдү, кан тамырларды жана потенциалдуу жана бүтүндөй органдардын моделдерин медициналык процедуралар, окутуу, тестирлөө, изилдөө жана дары ачуу демилгелери үчүн түзүүгө болот. Ыңгайлаштырылган бейтапка тиешелүү конструкциялардын өзгөчө мууну так, максаттуу жана жекелештирилген дарылоону иштеп чыгууга жардам берет.
Биопринтинг жана жалпысынан 3D сыя менен басып чыгаруу үчүн эң чоң тоскоолдуктардын бири басып чыгаруунун биринчи этабындагы - тиешелүү дизайнды же чиймени түзүүдөгү кыйынчылыкты чечүү үчүн өнүккөн, татаал программалык камсыздоону иштеп чыгуу болду. Мисалы, тирүү эмес объектилердин чиймесин оңой эле түзүүгө болот, бирок боордун же жүрөктүн санариптик моделдерин түзүүгө келгенде, ал көпчүлүк материалдык объектилер сыяктуу эле татаал жана жөнөкөй эмес. Биопринтингдин көптөгөн артыкчылыктары бар - так башкаруу, кайталануучулук жана жеке дизайн, бирок дагы эле бир нече кыйынчылыктар менен коштолот - эң негизгиси - тирүү чөйрө динамикалык жана статикалык эмес болгондуктан, мейкиндик түзүлүшүнө бир нече клетка түрлөрүн кошуу. Бул изилдөө 3D биопринтингдин өнүгүшүнө салым кошту жана көптөгөн тоскоолдуктарды алардын принциптерине ылайык келтирүү менен жоюуга болот. Биопринтингдин чыныгы ийгилиги бир нече аспектилерге байланыштуу экени айдан ачык. Биопринтингди күчтөндүрө турган эң маанилүү аспект - бул тиешелүү жана ылайыктуу биоматериалдарды иштеп чыгуу, басып чыгаруунун чечилишин жогорулатуу жана бул технологияны клиникалык жактан ийгиликтүү колдонуу үчүн кан тамырларды кеңейтүү. Биопринтинг аркылуу адамды трансплантациялоо үчүн толук кандуу иштеген жана жашоого жөндөмдүү органдарды "түзүү" мүмкүн эместей сезилет, бирок ошого карабастан, бул тармак тездик менен өнүгүп жатат жана бир нече жылдын ичинде көптөгөн жетишкендиктер алдыңкы планда турат. Изилдөөчүлөр жана биомедициналык инженерлер татаал биопринтингди ийгиликтүү жүргүзүү жолунда болгондуктан, биопринтинг менен байланышкан көпчүлүк кыйынчылыктарды жеңүүгө болот.
Bioprinting менен кээ бир маселелер
Биопринтинг жаатында көтөрүлгөн маанилүү жагдай, бул этапта бул ыкманы колдонуп бейтаптарга сунушталып жаткан биологиялык "жекелештирилген" дарылоонун натыйжалуулугун жана коопсуздугун текшерүү дээрлик мүмкүн эмес. Ошондой эле, мындай дарылоо менен байланышкан чыгымдар, айрыкча өндүрүшкө келгенде, чоң маселе болуп саналат. Адам органдарын алмаштыра турган функционалдык органдарды иштеп чыгуу абдан мүмкүн болсо да, ошого карабастан, учурда бейтаптын денеси жаңы ткандарды же жасалган жасалма органды кабыл алабы жана мындай трансплантациялар ийгиликтүү болобу же жокпу, баалоо үчүн эч кандай так жол жок.
Биопринтинг өсүп жаткан рынок болуп саналат жана ал ткандардын жана органдардын өнүгүшүнө багытталат жана балким, бир нече он жылдыктарда 3D басып чыгарылган адам органдарында жана трансплантациясында жаңы натыйжалар байкалат . 3D биопринтинг биздин жашообуздагы эң маанилүү жана актуалдуу медициналык өнүгүү бойдон кала берет.
***
Булагы (с)
Хедегаард КЛ 2018. Пептид-белок биосыйпаларынын гидродинамикалык жактан жетектелген иерархиялык өзүн-өзү чогултуусу. Өркүндөтүлгөн функционалдык материалдар . https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
