Numri i pacientëve me dështim të organeve është rritur ndjeshëm, duke rritur rrjedhimisht kërkesën për transplante organesh në mbarë botën. Vetëm në Shtetet e Bashkuara, rreth 47,000 operacione të transplantimit të organeve janë kryer vitin e kaluar, që përfaqëson një rritje të madhe prej rreth 8 për qind nga viti 2022.1
Kredia e imazhit: luchschenF/Shutterstock.com
Shumica e transplanteve të donatorëve të gjallë janë operacione të transplantimit të veshkave. Transplantimi i organeve shërben si një ndërhyrje thelbësore për shpëtimin e jetës për individët që vuajnë nga dështimi i organeve në fazën përfundimtare. Megjithatë, pamjaftueshmëria e organeve të disponueshme rezulton në periudha të gjata pritjeje për pacientët, duke kontribuar në një rritje të shkallës së vdekshmërisë.2
Përparimet e fundit në inxhinierinë e indeve dhe mjekësinë rigjeneruese kanë luajtur një rol kyç në biomjekësi, me bioprintimin 3D duke u shfaqur si një teknologji kryesore në përpjekjet e vazhdueshme të kërkimit dhe zhvillimit për të trajtuar mungesën e organeve për transplantime. Ndër teknikat e ndryshme, bioprintimi 3D i bazuar në lazer po kryeson rrugën me aplikime të shumta në bioinxhinieri dhe studime kërkimore.
Çfarë është teknologjia e bioprinting?
Në teknologjinë e printimit 3D për fabrikimin e indeve ose organeve, hartimi kryhet nga softuer i ndihmuar nga kompjuteri duke përdorur një program specifik që i jep udhëzime një makinerie për gjenerimin e skelave 3D.3
Bioprintimi 3D ofron kontroll të saktë mbi fabrikimin e konstruksionit dhe shpërndarjen e qelizave, duke arritur rezolucione printimi afër tipareve më të mira të mikroarkitekturës së indeve, duke filluar nga dhjetë deri në disa qindra mikrometra (μm).4
Bioprinteri funksionon përmes një sërë operacionesh të njëpasnjëshme prodhimi të udhëhequra nga makineri të integruara kompjuterike të kontrollit numerik. Lëvizja e platformës drejtohet nga koordinatat e ruajtura në format skedari gjatë gjithë procesit të printimit.4
Kushtet e printimit, duke përfshirë hapjen e grykës së printimit, shpejtësinë dhe trashësinë e shtresës, mund të ndryshojnë ndjeshëm, duke ndikuar secila në mbijetesën e qelizave dhe besnikërinë e konstruksionit. Optimizimi i printueshmërisë është thelbësor për të përmirësuar procesin e fabrikimit dhe për të ndërtuar vetitë.
Bioprintimi me ndihmën e lazerit, teknika më e përdorur në bioprintimin 3D, mbështetet në udhëzimin e saktë optik, ku një lazer me intensitet të lartë shtyn pikat e bio-bojës në një modalitet pa kontakt.5 Kjo metodë përdor një rreze lazer pulsuese dhe dy rrëshqitje paralele, një dhurues dhe një kolektor, për të krijuar konstruktin e dëshiruar.
Një shtresë metalike që thith lazerin poshtë rrëshqitjes së dhuruesit është e veshur me biomaterialin që do të transferohet. Impulset e lazerit kanë energji rreth 65 deri në 190 nJ. Shtresa metalike thith këto impulse me energji të lartë, duke bërë që biomateriali të shkrihet dhe të shpërndahet nga rrëshqitja e dhuruesit në pjesën e kolektorit duke kaluar përmes metalit të avulluar.
Lazeri transferon bioinkën në bioprintimin 3D të bazuar në lazer. Roli i bioinkës në bioprintimin 3D me bazë lazeri është i rëndësishëm dhe zgjedhja e saktë e bioinkës është e nevojshme për suksesin e procesit.6 Bioink mund të përkufizohet si një amalgamë e llojeve të ndryshme të biomaterialeve të pranishme në formën e një hidrogeli, e përdorur gjatë printimit 3D të bazuar në lazer për transferimin e biomaterialeve.
Avantazhet e BioPrinting Bazuar në Laser
Në kërkimet dhe aplikimet moderne të biomjekësisë, Bioprintimi i Asistuar me Laser (LAB) është një teknologji revolucionare e përdorur gjerësisht në inxhinierinë e indeve, shtypjen e organeve dhe fushat e mjekësisë rigjeneruese.
Ai luan një rol kryesor në risitë biomjekësore në transplantim, i favorizuar për rrezikun jashtëzakonisht të ulët të kontaminimit. Gjatë printimit 3D të bazuar në lazer, qelizat përjetojnë shumë më pak stres mekanik, duke rezultuar në qëndrueshmëri dukshëm më të lartë të qelizave.
Bioprintimi i bazuar në lazer për gjenerimin e organeve të printuara në 3D zbatohet për një gamë të ndryshme biomaterialesh që kërkojnë ndryshime të tepërta.6 Krahasuar me metodat e tjera si bioprintimi i bazuar në pika, bioprintimi 3D i asistuar me lazer krenohet me shpejtësi më të larta printimi, duke çuar në rezolucion dhe saktësi superiore. Për sa i përket depozitimit të qelizave, LAB mundëson kontroll të saktë mbi numrin e qelizave për pikë dhe lehtëson densitet të lartë të qelizave.
Si përdoret bioprintimi 3D i bazuar në lazer për të printuar organet?
Bioprintimi 3D ka zbutur ndjeshëm mungesën e organeve për operacionet e transplantimit. Ndër metodat e bazuara në lazer, Transferimi përpara i Induktuar me Laser (LIFT) ka fituar popullaritet në mesin e ekspertëve biomjekësorë. Kjo teknikë përdor një lazer për të transferuar bioink mbi një substrat, duke mundësuar krijimin e strukturave të ndërlikuara 3D me saktësi të lartë, qëndrueshmëri të përmirësuar të qelizave dhe përshtatshmëri të fortë teknike.
Ekspertët dhe studiuesit industrialë kanë shfrytëzuar me sukses bioprintimin 3D të bazuar në LIFT për të printuar kockat, muskujt e zemrës, indet nervore dhe gjëndrat e veshkave, duke shpëtuar miliona jetë çdo vit.7
Në fushën e kërkimit biomjekësor dhe inxhinierisë së indeve, ka një fokus në zgjidhjen e sëmundjeve të lëkurës duke zhvilluar metoda për alternativat e lëkurës së njeriut. Struktura e lëkurës e zhvilluar duke përdorur bioprintim 3D të bazuar në lazer zakonisht përfshin depozitimin e njëpasnjëshëm të 20 shtresave të fibroblasteve të ndjekura nga 20 shtresa keratinocitesh në fletët e Matriderm™.7 Zëvendësuesit e lëkurës të krijuara me këtë teknikë kanë zgjidhur probleme të mëdha të dëmtimit të lëkurës.
Sot janë të disponueshme disa metoda të bioprintimit me rezolucion të lartë, ku bioprintimi i bazuar në lazer bëhet alternativa mbizotëruese për zhvillimin e indeve me shumë shtresa me kapilarë të integruar, të ngjashëm me sistemin vaskular të trupit të njeriut. Qelizat endoteliale (ECs) vendosen me saktësi në substrate Matrigel për të formuar rreshtimin e brendshëm të enëve të gjakut.8
Studiuesit kanë demonstruar aftësinë për të rregulluar EC-të në linja dhe modele rrjeti duke përdorur bioprintim të bazuar në lazer. Në një përqendrim të lartë prej 100 milionë për mL, bioprintimi me bazë lazer i qelizave endoteliale çon në organizimin spontan të strukturave tubulare që ngjasojnë me enët e gjakut, të kompletuara me lumen, brenda substratit Matrigel.
Detoksifikimi dhe metabolizmi i drogës në trupin e njeriut janë funksione vendimtare që mbikëqyren nga mëlçia dhe veshkat. Megjithatë, metodat konvencionale për transplantimin e këtyre organeve, duke përfshirë modelet e kafshëve dhe kulturat e qelizave, përballen me kufizime të rëndësishme, duke përfshirë dilemat etike dhe pabarazitë gjenetike.
Për të adresuar këto sfida, studiuesit kanë zhvilluar një veshkë mëlçie 3D në një çip me një sistem qarkullues biomimetik (LKOCBCS) duke përdorur bioprintim të bazuar në lazer për vlerësimet e sigurisë së ilaçeve.9
LKOCBCS përfshin ind 3D biomimetik të mëlçisë që i ngjan lobulave të mëlçisë njerëzore, të krijuar përmes bioprintimit 3D dhe barrierave të tubulave proksimale të veshkave të fabrikuara duke përdorur gravurë ultra të shpejtë të asistuar me lazer. Kjo platformë inovative lehtëson komunikimin efektiv midis mëlçisë dhe veshkave, duke lehtësuar shkëmbimin e lëndëve ushqyese, përbërjeve dhe metabolitëve.
Rezultatet nga studimet e kryera duke përdorur LKOCBCS kanë demonstruar përqendrime të qëndrueshme të glukozës dhe metabolizmin qelizor pas shtatë ditësh, duke treguar dobinë e saj të mundshme për vlerësimet e sigurisë së barnave.
Kompanitë si Vital 3D Technologies po riformësojnë të ardhmen e mjekësisë duke mundësuar bioprintim 3D shumë efikas dhe të shpejtë të organeve. Këto kompani përdorin teknologjinë e përparuar të bioprintimit 3D për të fabrikuar inde dhe organe të gjalla me saktësi dhe kontroll të jashtëzakonshëm.10 Ata përdorin teknika të avancuara për të fabrikuar skela biokompatibile me saktësi dhe qëndrueshmëri ultra, duke siguruar sigurinë e tyre për aplikim në indet e gjalla.
Këto korniza luajnë një rol qendror në aplikimet e inxhinierisë së indeve që synojnë fabrikimin e indeve dhe organeve të transplantit dhe përmirësimin e lëkurës dhe shërimit të tjerë të lëkurës pas lëndimeve..
E ardhmja e bioprintimit 3D të bazuar në lazer
Teknikat e bazuara në dritë si SLA (stereolithography) dhe DLP (përpunimi dixhital i dritës) po bëhen gjithnjë e më të njohura në bioprintim. Megjithatë, rezolucioni i tyre zakonisht mbetet brenda rangut të disa dhjetëra mikrometrave.
Ky kufizim vjen pjesërisht nga fotokimia e procesit të ndërlidhjes, e cila shpesh kufizon rezolucionin anësor në vend që të kufizohet nga pika minimale e lazerit ose madhësia e pikselit.11
Trashësia e shtresës është gjithashtu e lidhur në thelb me thellësinë e depërtimit të dritës. Për shembull, studiuesit duke përdorur një sistem DLP me rezolucion mikrometër zbuluan se, pavarësisht aftësive teorike optike të konfigurimit të tyre, karakteristika të kënaqshme u arritën vetëm brenda një dimensioni anësor prej 100 μm dhe një dimensioni vertikal prej 300 μm.
Ndërsa avantazhet e arritjes së veçorive të sakta, instruktive në mikroshkallë dhe në shkallë nano, me bioprintim 3D të asistuar me lazer janë të dukshme, ka sfida të afërta për kërkimet e ardhshme. Një sfidë e tillë është ruajtja e rezolucionit duke mundësuar fabrikimin e objekteve me madhësi klinike përkatëse, zakonisht në rangun e shkallës centimetra.12
Kjo sfidë bëhet veçanërisht e rëndësishme pasi rezolucioni i lartë shpesh përfshin kohë të zgjatura fabrikimi, të cilat potencialisht mund të rrezikojnë qëndrueshmërinë e qelizave për periudha të gjata.
Gjetja e mënyrave për të balancuar rezolucionin me shpejtësinë e prodhimit për të siguruar detaje të imta dhe shkallëzueshmëri praktike do të jetë thelbësore për avancimin e teknologjisë së bioprintimit.
Më shumë nga AZoOptics: Aplikimet e Laserëve në Prodhimin e Aditivëve
Referenca dhe lexim të mëtejshëm
(1) Rrjeti i Prokurimit dhe Transplantimit të Organeve. (2024). Rritja e vazhdueshme e dhurimit të organeve sjell rekorde të reja në vitin 2023; Pikat e reja u tejkaluan. (Online) Rrjeti i Prokurimit dhe Transplantimit të Organeve. Në dispozicion në: https://optn.transplant.hrsa.gov/news/continued-increase-in-organ-donation-drives-new-records-in-2023-new-milestones-exceeded/ (Qasur më 15 mars 2024) .
(2) Samin, Y., et al. (2023). Barrierat dhe mundësitë për t’u bashkuar me Regjistrin Kombëtar të Dhurimit të Organeve në mesin e Popullsisë së Pacientëve në një Spital të Kujdesit Terciar të Peshawar, Pakistan. Cureus. doi.org/10.7759/cureus.37997
(3) Sniderman, B., et al. (2016). Mundësi 3D për jetën Prodhimi i aditivëve kërkon veprime humanitare. (Online) Rishikimi i Deloitte. Në dispozicion në: https://www2.deloitte.com/content/dam/insights/us/articles/3d-printing-for-humanitarian-action/DR19_3DOpportunityForLife.pdf (Qasur më 16 mars 2024).
(4) Miri, A., et al. (2019). Rezolucioni efektiv i bioprintimit në fabrikimin e modeleve të indeve. Laboratori në një çip. doi.org/10.1039/C8LC01037D
(5) Agarwal, T., et al. (2021). Përparimet e fundit në teknologjitë e bioprintimit për inxhinierinë e indeve kardiake. Shkenca dhe Inxhinieria e Materialeve. doi.org/10.1016/j.msec.2021.112057
(6) Hospodiuk, M. et al. (2017). Bioink: Një përmbledhje gjithëpërfshirëse mbi materialet e bioprintueshme. Përparimet e bioteknologjisë. doi.org/10.1016/j.biotechadv.2016.12.006
(7) Chang, J., et al. (2023). Bioprintimi me lazer me bazë transferimi përpara të induktuar nga lazeri në aplikimet biomjekësore. Kufijtë në Bioinxhinieri dhe Bioteknologji. doi.org/10.3389/fbioe.2023.1255782
(8) Koch, L., et al. (2021). Formacione të ngjashme me kapilarët e qelizave endoteliale në modele të përcaktuara të krijuara nga bioprintimi me lazer. Mikromakinat. doi.org/10.3390/mi12121538
(9) Huang, Q., et al. (2024). Një mëlçi-veshka tre-dimensionale (3D) në një çip me një sistem qarkullues biomimik për vlerësimin e sigurisë së ilaçeve. Laboratori në një çip. doi.org/10.1039/D3LC00796K
(10) Teknologjitë vitale 3D. (2024). Formimi i së ardhmes së mjekësisë me shpejtësinë e dritës. (Online) Vital 3D Technologies. Në dispozicion në: https://www.vital3d.eu/
(11) Shen, Y., et al. (2020). Printimi DLP me chitosan fotokurues për të ndërtuar bio-konstruksione për inxhinierinë e indeve. Polimerët e karbohidrateve. doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.115970
(12) Zandrini, T., et al. (2023). Thyerja e kufijve të rezolucionit të bioprintimit 3D: mundësitë e ardhshme dhe sfidat aktuale. Tendencat në Bioteknologji. doi.org/10.1016/j.tibtech.2022.10.009
të