Микрогравитационная биопечать
 | В этой статье нечеткий стиль цитирования . ( Ноябрь 2021 г. ) |
Биопечать в условиях микрогравитации — это использование методов 3D-биопечати в условиях микрогравитации для изготовления очень сложных функциональных структур тканей и органов. [1] Среда невесомости обходит некоторые текущие ограничения биопечати на Земле, включая нарушение магнитного поля и сохранение биоструктуры во время процесса печати. [2] Биопечать в условиях микрогравитации является одним из первых шагов к продвижению в освоении и колонизации космоса, одновременно расширяя возможности регенеративной медицины .
Общий принцип
[ редактировать ]
Основная функция микрогравитационной биопечати по сравнению с другими методами 3D-биопечати — использование среды невесомости. Все другие методы 3D-биопечати были протестированы в космосе, включая экструзионную печать, литографическую печать, лазерную печать, капельную печать, печать на основе магнитного поля и печать на основе магнитной левитации. [3] [4] Оптимальный метод биопечати в условиях микрогравитации — использовать формирующую биофабрикацию , которая представляет собой комбинацию использования магнитного и акустического поля левитации для изготовления тканей и органов. [5] Магнитное и акустическое левитационное поле создает зону, действующую как каркас, обеспечивающую поддержку процесса биопечати. Биочернила , используемые в биопечати в условиях микрогравитации, представляют собой соединения с низкой вязкостью, которые могут содержать биоматериалы и биологические вещества. [6] Они функционируют аналогично другим процессам 3D-биопечати, но оптимизированы для условий невесомости. Ограничения биопечати в условиях микрогравитации присущи и другим методам 3D-биопечати. [7] Дополнительной проблемой является отправка биоматериалов и биочернил в космос, когда их запасы на борту МКС прекратились.
История
[ редактировать ]2016
[ редактировать ]Американская компания Techshot напечатала первую сердечную и сосудистую ткань в условиях микрогравитации, используя биочернила, состоящие из стволовых клеток взрослого человека, и биопринтер nScrypt, разработанный специально для использования в условиях невесомости. [8] Techshot начинает разработку специального биопринтера, использующего условия микрогравитации, для отправки на Международную космическую станцию (МКС) .
2017
[ редактировать ]Компания 3D Bioprinting Solutions из Сколково начала производство и разработку космического биопринтера, использующего технологию магнитной левитации. [9]
2018
[ редактировать ]Компания 3D Bioprinting Solutions успешно напечатала щитовидную железу мыши на борту Международной космической станции (МКС) с помощью своего магнитного биопринтера . [10]
2019
[ редактировать ]Биопринтер щитовидной железы мыши был отправлен обратно на Землю в начале 2019 года для анализа. Biofabrication Facility, биопринтер для микрогравитации, разработанный и произведенный Techshot, был отправлен и установлен на МКС. Установка предназначена для постепенной печати более толстых тканей и проведения исследований по изменению рецептуры лекарств. [11] Первая биопечать клеток человека с помощью 3D Bioprinting Solution была предпринята в конце 2019 года на борту МКС. [12] Они успешно напечатали фрагменты костной ткани человека, используя смесь магнитных наночастиц, состоящую из живых клеток человека и керамики из фосфата кальция.
Приложения
[ редактировать ]Печать на мягких тканях
[ редактировать ]Условия микрогравитации позволяют печатать мягкие и деликатные тканевые структуры, такие как кровеносные сосуды. На Земле хрупкость кровеносных сосудов приводит к разрушению структуры из-за веса клеток в сочетании с силой гравитации. Вены и артерии, напечатанные в условиях невесомости, не требуют структурной поддержки и зависают в пространстве во время процесса печати. [13] Это позволяет деликатным тканям сохранять свою структуру и форму на протяжении всего процесса печати. Прежде чем отправить биоотпечатки обратно на Землю, ткани кондиционируют с помощью систем культивирования клеток, чтобы еще больше укрепить ткани для самоподдержки. [14] Пропуск культивирования клеток приведет к разрушению мягких тканей под действием гравитационной силы и веса клеток из-за отсутствия стабильности клеток. Ожидается, что после завершения процесса культивирования клеток напечатанные деликатные тканевые структуры функционально не будут отличаться от своих естественных аналогов.
Сложная печать тканей и органов
[ редактировать ]Сложные органы могут быть изготовлены исключительно из клеток и биологического вещества без необходимости какой-либо системы поддержки. Среда невесомости устраняет ограничения по механической нагрузке и структурным требованиям, которые характерны для 3D-биопечати на Земле. [15] В настоящее время на МКС установлено несколько биопринтеров, ориентированных на микрогравитацию, для печати сердечно-сосудистых тканей и структур. [16] Биопечатные ткани и структуры используются в качестве моделей для различных исследований, связанных с разработкой терапии для лечения заболеваний сердца и восстановления поврежденной сердечной ткани. [17]
Биомедицинские исследования
[ редактировать ]Биофабрикированные органы, такие как печень, использовались в качестве моделей in vitro для тестирования и лечения конкретных заболеваний печени из-за их повышенной мимикрии в физиологических условиях. [18] Современные модели печени ограничены меньшими срезами ткани из-за возрастающей сложности печати более крупной конструкции печени. Биопечать в условиях микрогравитации потенциально может изготовить более крупную и сложную конструкцию печени, которая сможет функционировать наравне с естественной печенью.
Портативное устройство под названием Bioprint FirstAid Handheld Bioprinter (Bioprint FirstAid) разрабатывается как портативный биопринтер нового поколения, который будет работать как на Земле, так и в космосе. [19] Биопринтер предназначен для печати пластыря, сделанного из биочернил, содержащих клетки соответствующих пациентов. Весь процесс печати занимает около 10 минут и основан исключительно на механической печати через подаваемый чернильный картридж. Это исследование является началом разработки портативных и простых в использовании биопринтеров, которые смогут работать при любых обстоятельствах.
Фармацевтические исследования
[ редактировать ]Химические соединения могут быть изготовлены с уникальными свойствами и характеристиками поверхности в космосе, чего невозможно достичь на Земле. [20] Специально изготовленные соединения можно протестировать во время исследований, чтобы отметить их эффективность по сравнению с соединениями, найденными на Земле. Среда невесомости обеспечивает более эффективные процессы производства химических соединений, чем обычные производственные процедуры. [21] Это приводит к дальнейшей оптимизации и увеличению производства лекарств.
Влияние
[ редактировать ]
Микрогравитационная биопечать использует преимущества невесомости для печати структур органов и тканей, чувствительных к гравитации и клеточному весу. Биочернила высокой вязкости часто используются для биопечати, чтобы позволить клеткам сохранять и формировать трехмерную структуру. [22] Высокая вязкость противодействует силе гравитации Земли, но создает большое напряжение сдвига . Возрастающая нагрузка на эти биочернила высокой вязкости в процессе печати приводит к частой гибели клеток. Условия микрогравитации позволяют использовать биочернила низкой вязкости, в то же время позволяя биопринту формировать трехмерную структуру, полностью основанную на клетках. Это устраняет необходимость создания каркаса для поддержки, поскольку клетки печатаются в подвешенном состоянии. По мере совершенствования и развития биопечати в условиях микрогравитации возможность печати искусственных органов открывает возможности для дальнейшего исследования и колонизации космоса. [23] Ожидается, что регенеративная медицина значительно улучшится по мере того, как наземные методы биопроизводства станут более совершенными на основе улучшений и прорывов в области биопечати в условиях микрогравитации. [24]
См. также
[ редактировать ]- 3D-биопечать
- 3D printing
- Магнитная 3D-биопечать
- Микро-g среда
- Био-чернила
- Исследование космоса
- Регенеративная медицина
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кубо-Матео, Ньевес; Гелинский, Михаил (25 октября 2021 г.). «Заживление ран и кожи в космосе: перспектива 3D-биопечати» . Границы биоинженерии и биотехнологии . 9 : 720217. дои : 10.3389/fbioe.2021.720217 . ISSN 2296-4185 . ПМЦ 8575129 . ПМИД 34760878 .
- ^ Бишоп, Эллиот С.; Мостафа, Сами; Пакваса, Михаил; Луу, Хюэ Х.; Ли, Майкл Дж.; Вольф, Дженнифер Мориатис; Амир, Гильермо А.; Он, Тонг-Чуан; Рид, Рассел Р. (01 декабря 2017 г.). «Технологии 3-D биопечати в тканевой инженерии и регенеративной медицине: текущие и будущие тенденции» . Гены и болезни . 4 (4): 185–195. дои : 10.1016/j.gendis.2017.10.002 . ISSN 2352-3042 . ПМК 6003668 . ПМИД 29911158 .
- ^ Сунь, Вэй; Старли, Бинил; Дейли, Эндрю С.; Бердик, Джейсон А.; Гролл, Юрген; Скелдон, Грегор; Шу, Вэньмяо; Сакаи, Ясуюки; Шинохара, Мари; Нисикава, Масаки; Джанг, Джина (февраль 2020 г.). «Дорожная карта биопечати» . Биофабрикация . 12 (2): 022002. Бибкод : 2020BioFa..12b2002S . дои : 10.1088/1758-5090/ab5158 . hdl : 1721.1/135351 . ISSN 1758-5090 . ПМИД 32031083 . S2CID 211045550 .
- ^ Леонард, Франсиска; Годин, Биана (2016). «3D-модель in vitro для исследования рака молочной железы с использованием метода магнитной левитации и биопечати». Рак молочной железы . Методы молекулярной биологии. Том. 1406. стр. 239–251. дои : 10.1007/978-1-4939-3444-7_21 . ISBN 978-1-4939-3442-3 . ISSN 1064-3745 . ПМЦ 4961210 . ПМИД 26820961 .
- ^ Парфенов Владислав А.; Петров Станислав Васильевич; Перейра, Фредерико ДАС; Левин, Александр А.; Кудан, Елизавета Викторовна; Нежурина, Елизавета К.; Каралкин Павел А.; Васильев Михаил Михайлович; Петров Олег Ф.; Комлев Владимир С.; Хесуани, Юсеф Д. (28 июля 2020 г.). «Магнитно-левитационный биоассемблер без каркасов, без этикеток и сопел для быстрого формирующего биопроизводства трехмерных тканей и органов» . Международный журнал биопечати . 6 (3): 304. doi : 10.18063/ijb.v6i3.304 . ISSN 2424-7723 . ПМЦ 7557351 . ПМИД 33088991 .
- ^ Гролл, Дж.; Бердик, Дж.А.; Чо, Д.-В.; Дерби, Б.; Гелинский, М.; Хейлсхорн, Южная Каролина; Юнгст, Т.; Мальда, Дж.; Миронов В.А.; Накаяма, К.; Овсяников А. (ноябрь 2018 г.). «Определение биочернил и их отличие от чернил из биоматериалов » Биофабрикация . 11 (1):013001 дои : 10.1088/1758-5090/aaec52 . ISSN 1758-5090 . ПМИД 30468151 . S2CID 53715276 .
- ^ Бишоп, Эллиот С.; Мостафа, Сами; Пакваса, Михаил; Луу, Хюэ Х.; Ли, Майкл Дж.; Вольф, Дженнифер Мориатис; Амир, Гильермо А.; Он, Тонг-Чуан; Рид, Рассел Р. (01 декабря 2017 г.). «Технологии 3-D биопечати в тканевой инженерии и регенеративной медицине: текущие и будущие тенденции» . Гены и болезни . 4 (4): 185–195. дои : 10.1016/j.gendis.2017.10.002 . ISSN 2352-3042 . ПМК 6003668 . ПМИД 29911158 .
- ^ «Techshot осуществляет 3D-биопечать в условиях невесомости» . Индустрия 3D-печати . 20 июня 2016 г. Проверено 20 ноября 2021 г.
- ^ «3D Bioprinting Solutions представляет систему магнитной 3D-биопечати в космосе» . Медийная сеть 3D-печати — пульс AM-индустрии . 29 апреля 2017 г. Проверено 18 ноября 2021 г.
- ^ "Как частная компания развивает прорывную технологию биопечати" . bioprinting.ru . Retrieved 2021-11-18 .
- ^ «3D Биопринтер» . Техшот, Инк . Проверено 18 ноября 2021 г.
- ^ «3D Bioprinting Solutions представляет систему магнитной 3D-биопечати в космосе» . Медийная сеть 3D-печати — пульс AM-индустрии . 29 апреля 2017 г. Проверено 18 ноября 2021 г.
- ^ Райдер, Патрик; Качаревич, Желька Перич; Алкилдани, Саид; Ретнасингх, Суджит; Барбек, Майк (08 октября 2018 г.). «Биопечать каркасов тканевой инженерии» . Журнал тканевой инженерии . 9 : 2041731418802090. дои : 10.1177/2041731418802090 . ISSN 2041-7314 . ПМК 6176532 . ПМИД 30305886 .
- ^ Веллингер, Джон К.; Тодд, Пол; Тейлор, Эрик; Кеннеди, Дэвид Дж.; Джонс, Алан; Болинг, Ричард Э. (март 2004 г.). «Обзор аппаратных возможностей SHOT и диапазона проектов экспериментов по клеточной биологии» . Журнал гравитационной физиологии . 11 (1): 51–55. ISSN 1077-9248 . ПМИД 16145799 .
- ^ Гидини, Томмазо (июль 2018 г.). «Регенеративная медицина и 3D-биопечать для освоения человеком космоса и колонизации планет» . Журнал торакальных заболеваний . 10 (Приложение 20): S2363–S2375. дои : 10.21037/jtd.2018.03.19 . ISSN 2072-1439 . ПМК 6081368 . ПМИД 30123576 .
- ^ Симс, Джош. «Почему космонавты печатают органы в космосе» . www.bbc.com . Проверено 18 ноября 2021 г.
- ^ «Клетки сердца в космосе: исследователи, проводящие сердечно-сосудистые исследования на МКС» . www.issnationallab.org . 12 августа 2019 года . Проверено 18 ноября 2021 г.
- ^ Ма, Сюаньи; Лю, Джастин; Чжу, Вэй; Тан, Мин; Лоуренс, Натали; Ю, Клэр; Гоу, Малинг; Чен, Шаочэнь (июль 2018 г.). «3D-биопечать функциональных моделей тканей для персонализированного скрининга лекарств и моделирования заболеваний in vitro» . Обзоры расширенной доставки лекарств . 132 : 235–251. дои : 10.1016/j.addr.2018.06.011 . ISSN 0169-409X . ПМК 6226327 . ПМИД 29935988 .
- ^ «Детали эксперимента» . www.nasa.gov . Проверено 18 ноября 2021 г.
- ^ Мао, Хунли; Ян, Ли; Чжу, Хаофан; У, Лихуан; Цзи, Пейхун; Ян, Цзицюань; Гу, Чжунвэй (01 октября 2020 г.). «Последние достижения и проблемы в области материалов для 3D-биопечати» . Прогресс в естественных науках: Materials International . СИ: Биоматериалы. 30 (5): 618–634. дои : 10.1016/j.pnsc.2020.09.015 . ISSN 1002-0071 . S2CID 228993433 .
- ^ «3D-печать и биопечать в фармацевтическом производстве» . ИСПЕ | Международное общество фармацевтической инженерии . Проверено 19 ноября 2021 г.
- ^ Хёльцль, Катя; Линь, Шэнмао; Титгат, Лисбет; Влиерберге, Сандра Ван; Гу, Линься ; Овсяников, Александр (сентябрь 2016 г.). «Свойства биочернил до, во время и после 3D-биопечати» . Биофабрикация . 8 (3): 032002. Бибкод : 2016BioFa...8c2002H . дои : 10.1088/1758-5090/8/3/032002 . hdl : 1854/LU-8507720 . ISSN 1758-5090 . ПМИД 27658612 . S2CID 3737816 .
- ^ «3D ПЕЧАТЬ ЖИВЫХ ТКАНЕЙ ДЛЯ ОСВОЕНИЯ КОСМОСА – ЭКСПРО ПЛЮС» . www2.rosa.ro. Проверено 19 ноября 2021 г.
- ^ Гидини, Томмазо (июль 2018 г.). «Регенеративная медицина и 3D-биопечать для освоения человеком космоса и колонизации планет» . Журнал торакальных заболеваний . 10 (20): С2363–С2375. дои : 10.21037/jtd.2018.03.19 . ISSN 2077-6624 . ПМК 6081368 . ПМИД 30123576 .
