Եռաչափ կենսատպագրության տեխնիկայի խոշոր առաջընթացի ընթացքում բջիջներն ու հյուսվածքները ստեղծվել են իրենց բնական միջավայրում իրենց պահվածքի համար՝ «իրական» կենսաբանական կառուցվածքներ կառուցելու համար։
3D տպագրությունը ընթացակարգ է, որի ընթացքում նյութը ավելացվում է միասին և այդպիսով միացվում կամ ամրացվում է համակարգչի թվային հսկողության ներքո՝ ստեղծելով եռաչափ առարկա կամ էություն: Արագ նախատիպավորումը և հավելումների արտադրությունը մյուս տերմիններն են, որոնք օգտագործվում են նկարագրելու համար բարդ օբյեկտների կամ կազմավորումների ստեղծման տեխնիկան նյութի շերտավորման և աստիճանական կառուցման միջոցով կամ պարզապես «հավելումային» մեթոդի միջոցով: Այս ուշագրավ տեխնոլոգիան գոյություն ունի արդեն երեք տասնամյակ այն բանից հետո, երբ պաշտոնապես հայտնաբերվեց 1987 թվականին, միայն վերջերս այն հայտնվեց ուշադրության կենտրոնում և հանրաճանաչության մեջ՝ որպես ոչ միայն նախատիպեր արտադրելու միջոց, այլ ավելի շուտ առաջարկելով լիարժեք ֆունկցիոնալ բաղադրիչներ: Այդպիսին է հնարավորությունների ներուժը 3D տպագրելով, որ այն այժմ առաջ է բերում հիմնական նորամուծություններ բազմաթիվ ոլորտներում, ներառյալ ճարտարագիտությունը, արտադրությունը և բժշկությունը:
Հասանելի են հավելումների արտադրության տարբեր տեսակներ, որոնք հետևում են նույն քայլերին վերջնական արդյունքի հասնելու համար: Առաջին կարևոր քայլում դիզայնը ստեղծվում է CAD (Computer-Aided-Design) ծրագրաշարի միջոցով, որը կոչվում է թվային նախագիծ: Այս ծրագրաշարը կարող է կանխատեսել, թե ինչպես կստացվի վերջնական կառուցվածքը, ինչպես նաև կվարվի, հետևաբար այս առաջին քայլը կենսական նշանակություն ունի լավ արդյունքի համար: Այս CAD ձևավորումն այնուհետև փոխակերպվում է տեխնիկական ձևաչափի (կոչվում է .stl ֆայլ կամ ստանդարտ թեսսելացիոն լեզու), որն անհրաժեշտ է 3D տպիչի համար, որպեսզի կարողանա մեկնաբանել դիզայնի հրահանգները: Այնուհետև, 3D տպիչը պետք է կարգավորվի (սովորական, տնային կամ գրասենյակային 2D տպիչի նման) իրական տպագրության համար. սա ներառում է չափի և կողմնորոշման կարգավորումը, լանդշաֆտային կամ դիմանկարային տպումների ընտրությունը, տպիչի քարթրիջները ճիշտ փոշու լցոնումը: . Այն 3D տպիչ այնուհետև սկսում է տպագրության գործընթացը՝ աստիճանաբար դիզայնը կառուցելով նյութի մեկ մանրադիտակային շերտով: Այս շերտը սովորաբար ունի մոտ 0.1 մմ հաստություն, չնայած այն կարող է հարմարեցվել տպագրվող կոնկրետ օբյեկտին համապատասխանելու համար: Ամբողջ պրոցեդուրան հիմնականում ավտոմատացված է և ֆիզիկական միջամտություն չի պահանջվում, միայն պարբերական ստուգումներ՝ ճիշտ ֆունկցիոնալությունն ապահովելու համար: Կոնկրետ օբյեկտի ավարտը տևում է մի քանի ժամից մինչև օր՝ կախված դիզայնի չափից և բարդությունից: Ավելին, քանի որ դա «հավելումային» մեթոդաբանություն է, այն խնայող է, էկոլոգիապես մաքուր (առանց վատնման) և նաև դիզայնի համար շատ ավելի մեծ հնարավորություն է տալիս:
Հաջորդ մակարդակը՝ 3D կենսատպագրություն
Կենսատպագրություն ավանդական 3D տպագրության ընդլայնումն է՝ վերջին առաջընթացներով, որոնք հնարավորություն են տալիս 3D տպագրությունը կիրառել կենսաբանական կենդանի նյութերի վրա: Թեև 3D inkjet տպագրությունն արդեն օգտագործվում է առաջադեմ բժշկական սարքեր և գործիքներ մշակելու և արտադրելու համար, անհրաժեշտ է հետագա քայլ մշակել՝ տպագրելու, դիտելու և կենսաբանական մոլեկուլները հասկանալու համար: Կարևոր տարբերությունն այն է, որ ի տարբերություն թանաքային տպագրության, կենսատպագրությունը հիմնված է կենսաթանաքի վրա, որը բաղկացած է կենդանի բջիջների կառուցվածքներից: Այսպիսով, կենսատպագրության ժամանակ, երբ մուտքագրվում է որոշակի թվային մոդել, կոնկրետ կենդանի հյուսվածքը տպվում և կառուցվում է շերտ առ բջիջ: Կենդանի մարմնի խիստ բարդ բջջային բաղադրիչների պատճառով 3D բիոտպագրությունը դանդաղ է զարգանում, և այնպիսի բարդությունները, ինչպիսիք են նյութերի, բջիջների, գործոնների, հյուսվածքների ընտրությունը, լրացուցիչ ընթացակարգային մարտահրավերներ են ստեղծում: Այս բարդությունները կարելի է լուծել՝ ընդլայնելով հասկացողությունը՝ ինտեգրելով միջդիսցիպլինար ոլորտների տեխնոլոգիաները, օրինակ՝ կենսաբանություն, ֆիզիկա և բժշկություն:
Մեծ առաջընթաց կենսատպագրության մեջ
Մի ուսումնասիրության հրապարակված Առաջադեմ ֆունկցիոնալ նյութերՀետազոտողները մշակել են 3D կենսատպման տեխնիկա, որն օգտագործում է բջիջները և մոլեկուլները, որոնք սովորաբար գտնվում են բնական հյուսվածքներում (նրանց բնածին միջավայրում)՝ «իրական» կենսաբանական կառուցվածքների նմանվող կոնստրուկցիաներ կամ ձևավորումներ ստեղծելու համար: Կենսատպման այս հատուկ տեխնիկան համատեղում է «մոլեկուլային ինքնահավաքումը» «3D տպագրության» հետ՝ ստեղծելով բարդ կենսամոլեկուլային կառուցվածքներ: Մոլեկուլային ինքնահավաքումը գործընթաց է, որի միջոցով մոլեկուլները ինքնուրույն ընդունում են որոշակի դասավորվածություն՝ կոնկրետ առաջադրանք կատարելու համար: Այս տեխնիկան միավորում է «կառուցվածքային առանձնահատկությունների միկրո և մակրոսկոպիկ հսկողությունը», որն ապահովում է «3D տպագրությունը» «մոլեկուլային և նանոմաշտաբի հսկողության» հետ, որը հնարավոր է դարձնում «մոլեկուլային ինքնահավաքումը»: Այն օգտագործում է մոլեկուլային ինքնահավաքման ուժը՝ տպագրվող բջիջները խթանելու համար, ինչը այլապես սահմանափակում է 3D տպագրության մեջ, երբ սովորական «3D տպագրության թանաքը» չի ապահովում դրա համար այս միջոցը:
Հետազոտողները «ներկառուցեցին» կառուցվածքները «բիո թանաքի» մեջ, որը նման է մարմնի ներսում իրենց բնածին միջավայրին, ինչի շնորհիվ կառուցվածքները իրենց պահում են այնպես, ինչպես կվարվեին մարմնում: Այս բիո-թանաքը, որը նաև կոչվում է ինքնահավաքվող թանաք, օգնում է վերահսկել կամ փոփոխել քիմիական և ֆիզիկական հատկությունները տպագրության ընթացքում և դրանից հետո, ինչը թույլ է տալիս համապատասխանաբար խթանել բջիջների վարքը: Եզակի մեխանիզմը, երբ կիրառվում է կենսատպագրություն թույլ է տալիս մեզ կատարել դիտարկումներ այն մասին, թե ինչպես են այդ բջիջները աշխատում իրենց միջավայրում՝ դրանով իսկ մեզ տալով իրական կենսաբանական սցենարի պատկերը և պատկերացումները: Այն բարձրացնում է 3D կենսաբանական կառույցներ կառուցելու հնարավորությունը՝ տպելով բազմաթիվ տեսակի կենսամոլեկուլներ, որոնք կարող են հավաքվել մի քանի մասշտաբներով լավ սահմանված կառույցների մեջ:
Ապագան շատ հուսադրող է:
Bioprinting հետազոտությունն արդեն օգտագործվում է տարբեր տեսակի հյուսվածքներ ստեղծելու համար և, հետևաբար, կարող է շատ կարևոր լինել հյուսվածքների ճարտարագիտության և ռեգեներատիվ բժշկության համար՝ փոխպատվաստման համար հարմար հյուսվածքների և օրգանների կարիքը լուծելու համար՝ մաշկ, ոսկոր, փոխպատվաստում, սրտի հյուսվածք և այլն: Ավելին, տեխնիկան բացում է լայն հնարավորություններ նախագծելու և ստեղծելու կենսաբանական սցենարներ, ինչպիսիք են բարդ և հատուկ բջջային միջավայրերը, որոնք հնարավորություն կտան հյուսվածքների ճարտարագիտության բարգավաճմանը` իրականում ստեղծելով առարկաներ կամ կոնստրուկցիաներ՝ թվային հսկողության ներքո և մոլեկուլային ճշգրտությամբ, որոնք նման են կամ նմանակում են մարմնի հյուսվածքներին: Կենդանի հյուսվածքի, ոսկորների, արյան անոթների և պոտենցիալ և ամբողջական օրգանների մոդելները հնարավոր է ստեղծել բժշկական պրոցեդուրաների, ուսուցման, թեստավորման, հետազոտությունների և դեղերի հայտնաբերման համար: Պացիենտին հատուկ հարմարեցված կոնստրուկցիաների շատ կոնկրետ սերունդ կարող է օգնել ճշգրիտ, նպատակային և անհատականացված բուժումներ մշակելիս:
Bioprinting-ի և ընդհանրապես 3D inkjet տպագրության ամենամեծ խոչընդոտներից մեկը եղել է առաջադեմ, բարդ ծրագրաշարի մշակումը, որը կպատասխանի տպագրության առաջին քայլի մարտահրավերին՝ ստեղծելով համապատասխան դիզայն կամ նախագիծ: Օրինակ, ոչ կենդանի առարկաների նախագիծը կարող է հեշտությամբ ստեղծվել, բայց երբ խոսքը վերաբերում է, ասենք, լյարդի կամ սրտի թվային մոդելների ստեղծմանը, դա դժվար է և ոչ պարզ, ինչպես շատ նյութական առարկաներ: Bioprinting-ը միանշանակ ունի բազմաթիվ առավելություններ՝ ճշգրիտ հսկողություն, կրկնելիություն և անհատական դիզայն, բայց դեռևս մի քանի մարտահրավերներով է տառապում. ամենակարևորը բջիջների բազմաթիվ տեսակների ներառումն է տարածական կառուցվածքում, քանի որ կենդանի միջավայրը դինամիկ է և ոչ ստատիկ: Այս ուսումնասիրությունը նպաստել է առաջխաղացմանը 3D կենսատպագրություն և շատ խոչընդոտներ կարելի է վերացնել՝ հետևելով դրանց սկզբունքներին: Ակնհայտ է, որ կենսատպագրության իրական հաջողությունը դրան կցված է մի քանի երեսակներով: Ամենակարևոր ասպեկտը, որը կարող է հզորացնել կենսատպագրությունը, համապատասխան և համապատասխան կենսանյութերի մշակումն է, տպագրության լուծունակության բարելավումը և նաև անոթայինացումը, որպեսզի կարողանանք հաջողությամբ կիրառել այս տեխնոլոգիան կլինիկորեն: Թվում է, թե անհնար է «ստեղծել» լիարժեք գործող և կենսունակ օրգաններ մարդու փոխպատվաստման համար կենսատպագրության միջոցով, բայց, այնուամենայնիվ, այս ոլորտը արագ զարգանում է, և մի քանի տարվա ընթացքում բազմաթիվ զարգացումներ են առաջնային պլանում: Այն պետք է հասանելի լինի բիոտպագրության հետ կապված մարտահրավերների մեծ մասը հաղթահարելու համար, քանի որ հետազոտողները և կենսաբժշկական ինժեներներն արդեն բարդ բիոտպագրության հաջող ճանապարհին են:
Bioprinting-ի հետ կապված որոշ խնդիրներ
Ոլորտում բարձրացված կրիտիկական կետ կենսատպագրություն այն է, որ այս փուլում գրեթե անհնար է ստուգել այս տեխնիկան օգտագործող հիվանդներին առաջարկվող կենսաբանական «անձնավորված» բուժման արդյունավետությունն ու անվտանգությունը: Բացի այդ, նման բուժման հետ կապված ծախսերը մեծ խնդիր են, հատկապես, երբ վերաբերում է արտադրությանը: Թեև շատ հնարավոր է զարգացնել ֆունկցիոնալ օրգաններ, որոնք կարող են փոխարինել մարդու օրգաններին, բայց նույնիսկ այդ դեպքում, ներկայումս չկա ոչ մի հիմար ապացույց՝ գնահատելու, թե արդյոք հիվանդի մարմինը կընդունի նոր հյուսվածքը, թե՞ ստեղծված արհեստական օրգանը, և արդյոք նման փոխպատվաստումները հաջող կլինեն: բոլորը.
Bioprinting-ը աճող շուկա է և կենտրոնանալու է հյուսվածքների և օրգանների զարգացման վրա, և միգուցե մի քանի տասնամյակից նոր արդյունքներ երևան 3D տպագրված մարդու օրգաններում և փոխպատվաստում. 3D կենսատպագրություն կշարունակի մնալ մեր կյանքի ամենակարևոր և համապատասխան բժշկական զարգացումը:
***
Աղբյուրը (ներ)
Hedegaard CL 2018. Պեպտիդ-սպիտակուցային բիոինքսների հիդրոդինամիկորեն առաջնորդվող հիերարխիկ ինքնահավաքում: Առաջադեմ ֆունկցիոնալ նյութեր. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
