Bioprinting (ook bekend als 3D-bioprinting) is een combinatie van 3D-printen met biomaterialen om onderdelen te repliceren die natuurlijke weefsels, botten en bloedvaten in het lichaam imiteren. Het wordt voornamelijk gebruikt in verband met geneesmiddelenonderzoek en meest recent als celsteigers om beschadigde ligamenten en gewrichten te helpen herstellen. Bioprinting wordt sinds ongeveer 2007 in de geneeskunde gebruikt en is gebruikt om bijna elk weefsel, kraakbeen en orgaan in het lichaam te bestuderen of te recreëren.
guteksk7/Getty Images
Inhoudsopgave
Hoe bioprinting werkt
Een 3D-printer kan diepte geven aan wat hij print, en een bioprinter doet dit door biomaterialen zoals levende cellen, synthetische lijm en collageensteigers in lagen te verdelen om een object te creëren. Dit proces wordt additieve productie genoemd: de materialen die in de printer worden gevoerd, worden gestold als ze eruit komen om een 3D-object te creëren.
Maar het is niet zo eenvoudig als het in een 3D-printer stoppen van materialen en op een knop drukken. Om de additieve productiefase te bereiken, moet de printer een blauwdruk ontvangen: een computergegenereerd beeld van wat hij probeert te creëren. Vervolgens worden de materialen die u voor het object wilt gebruiken in de printer gevoerd. De printer leest het digitale bestand dat u hem hebt gegeven terwijl hij de materialen die u hem hebt gegeven in lagen afdrukt om het gewenste object opnieuw te creëren. Elke laag koelt af en blijft aan elkaar plakken (dankzij het collageen, de lijm of in sommige gevallen gewoon de cellen zelf), waardoor één stevig, stabiel stuk ontstaat.
Om de levende cellen (vaak bioinkt genoemd) in een bioprinter te krijgen, kunnen onderzoekers een aantal routes nemen. Ten eerste kunnen ze rechtstreeks van de patiënt worden gehaald voor wie ze bioprinten. Of, als ze worden gebruikt voor onderzoeksdoeleinden of in gevallen waarin ze de eigen cellen van een patiënt niet kunnen gebruiken, kunnen volwassen stamcellen worden gebruikt, omdat ze kunnen worden gemanipuleerd voor het type cellen dat nodig is voor bioprinten om weefsel te recreëren.
De blauwdruk die een bioprinter gebruikt, is vaak een scan van de patiënt. Hierdoor kan de bioprinter weefsel opnieuw creëren door te verwijzen naar de scan en dunne, precieze lagen te gebruiken om het weefsel op te bouwen of te printen.
Bioprinting op een chip
Een van de manieren waarop 3D-bioprinting momenteel wordt gebruikt in de wetenschappelijke en medische gemeenschappen, is voor het testen van regeneratieve geneeskunde. Bij het Wyss Institute van Harvard hebben onderzoekers een 3D-bioprinter ontwikkeld die gevasculariseerde weefsels van levende menselijke cellen kan produceren die op een chip worden geprint. Ze gebruiken dit weefsel op een chip om het te verbinden met een vasculair kanaal, waardoor onderzoekers het weefsel voedingsstoffen kunnen geven om de groei en ontwikkeling te monitoren.
Het vermogen om weefsel op een chip te laten groeien, helpt onderzoekers nieuwe technieken in regeneratieve geneeskunde en medicijntesten te onderzoeken. Door een 3D-bioprinter te gebruiken, kunnen onderzoekers ook verschillende methoden voor het maken van chips onderzoeken. Een prestatie was het creëren van een hart op een chip, met sensoren voor onderzoeks- en gegevensverzamelingsdoeleinden. Hiervoor waren mogelijk eerder dierproeven of andere maatregelen nodig.
Bioprinting en bottransplantaten
Als het aankomt op het uitoefenen van de geneeskunde, valt er nog veel te leren en te testen in het creëren van biogeprinte organen die zijn geschaald naar menselijke grootte. Maar er worden flinke stappen gezet, zoals op het gebied van bottransplantatie om problemen met botten en de gewrichten eromheen te verhelpen.
De meest opvallende vooruitgang komt van onderzoekers van Swansea University in Wales. De bioprinters van het team kunnen kunstmatige botmaterialen in specifieke vormen creëren die nodig zijn met behulp van een regeneratief en duurzaam materiaal. Onderzoekers van AMBER Science Foundation Ireland en Trinity College in Dublin, Ierland, hebben een proces ontwikkeld om 3D-bioprinting van botmateriaal te ondersteunen om te helpen bij defecten veroorzaakt door tumorresecties , trauma en infectie, evenals genetische botafwijkingen.
De Universiteit van Nottingham in Engeland heeft ook winst geboekt op dit gebied van de geneeskunde, door een kopie van het bot dat ze vervangen te bioprinten en het te coaten met stamcellen. Het schavot wordt in het lichaam geplaatst. Na verloop van tijd wordt het met behulp van de stamcellen volledig vervangen door een nieuw bot.
Bioprinting en regeneratieve huid en weefsel
Huid is een succesvol gebied van geneeskunde voor bioprinting vanwege het vermogen van de machine om lagen te maken terwijl het print. Omdat de huid een meerlagig orgaan is, dat bestaat uit verschillende cellen binnen elke laag, hopen onderzoekers dat bioprinting in de loop van de tijd kan helpen bij het reproduceren van de lagen van de huid, zoals de dermis en epidermis .
Onderzoekers van de Wake Forest School of Medicine in North Carolina kijken hier nauwlettend naar als het gaat om slachtoffers van brandwonden die niet genoeg onbeschadigde huid hebben om te oogsten voor wondverzorging en genezing. In dit geval zou de bioprinter de wondinformatie van die patiënt van een scanner halen (inclusief de benodigde diepte en celtypen) om te helpen nieuwe huid te creëren die vervolgens op de patiënt kan worden gebruikt.
Aan de Pennsylvania State University werken onderzoekers aan 3D-bioprinting waarmee kraakbeen kan worden gemaakt om weefsel in de knieën en andere lichaamsdelen die vaak door slijtage worden aangetast, te herstellen. Ook huidweefsel en ander weefsel van het zenuwstelsel dat essentieel is voor de gezondheid van organen, worden hiermee hersteld.
Bioprinting van bloedvaten
Het vermogen om bloedvaten te herscheppen met behulp van een bioprinter is niet alleen nuttig voor de mogelijkheid om ze direct in een patiënt te transplanteren, maar ook voor medicijntesten en gepersonaliseerde geneeskunde . Onderzoekers van Brigham and Women’s Hospital hebben winst geboekt op dit gebied van de geneeskunde door agarosevezels te printen die dienen als bloedvaten. De onderzoekers ontdekten dat deze gebioprinte bloedvaten sterk genoeg zijn om te bewegen en grotere netwerken te vormen, in plaats van op te lossen rond een bestaande structuur.
Een woord van Health Life Guide
Het onderzoek dat voortkomt uit bioprinting is fascinerend. Er is veel kennis en winst geboekt dankzij de mogelijkheid om botten, huid, bloedvaten, kraakbeen en zelfs organen te bioprinten. Er moet echter nog veel meer vooruitgang worden geboekt voordat veel van deze praktijken in de geneeskunde worden toegepast.
Sommigen zijn er misschien eerder klaar voor dan anderen. In het geval van bioprinting en huid hopen onderzoekers de wetenschap binnen vijf jaar klaar te hebben voor soldaten die ernstige brandwonden oplopen in gevechten. Andere gebieden van bioprinting, zoals het opnieuw creëren van organen voor menselijke gebruik, hebben nog een lange weg te gaan in ontwikkeling.
Als het gaat om het nabootsen van lichaamsprocessen en het observeren van de interactie van bepaalde medicijnen binnen het grotere systeem van het lichaam, heeft bioprinting mogelijkheden gecreëerd voor het verzamelen van gegevens en niet-invasieve manieren om te zien hoe het menselijk lichaam reageert op bepaalde stoffen. Dit kan leiden tot meer gepersonaliseerde medicijnen voor patiënten met minder bijwerkingen.