ในความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคนิคการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ เซลล์และเนื้อเยื่อได้ถูกสร้างขึ้นเพื่อให้มีพฤติกรรมในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติเพื่อสร้างโครงสร้างทางชีววิทยาที่ 'จริง'
การพิมพ์ 3 มิติเป็นขั้นตอนที่วัสดุถูกรวมเข้าด้วยกันและเชื่อมต่อหรือแข็งตัวภายใต้การควบคุมแบบดิจิทัลของคอมพิวเตอร์เพื่อสร้างวัตถุสามมิติหรือเอนทิตี การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วและการผลิตสารเติมแต่งเป็นคำศัพท์อื่นๆ ที่ใช้ในการอธิบายเทคนิคการสร้างวัตถุหรือเอนทิตีที่ซับซ้อนนี้โดยการจัดชั้นวัสดุและค่อยๆ สร้างขึ้น หรือเพียงแค่วิธีการ 'สารเติมแต่ง' เทคโนโลยีที่โดดเด่นนี้มีมาเป็นเวลาสามทศวรรษแล้วหลังจากถูกค้นพบอย่างเป็นทางการในปี 1987 เมื่อไม่นานมานี้ เทคโนโลยีนี้ได้กลายเป็นจุดสนใจและความนิยม ไม่ใช่แค่เพียงวิธีการผลิตต้นแบบ แต่ยังนำเสนอส่วนประกอบที่ใช้งานได้เต็มรูปแบบ นั่นคือศักยภาพของความเป็นไปได้ของ 3D การพิมพ์ว่าขณะนี้กำลังขับเคลื่อนนวัตกรรมที่สำคัญในหลาย ๆ ด้านรวมถึงวิศวกรรม การผลิตและการแพทย์
มีวิธีการผลิตสารเติมแต่งประเภทต่างๆ ซึ่งทำตามขั้นตอนเดียวกันเพื่อให้ได้ผลลัพธ์สุดท้าย ในขั้นตอนสำคัญประการแรก การออกแบบจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์ CAD (Computer-Aided-Design) บนคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่าพิมพ์เขียวดิจิทัล ซอฟต์แวร์นี้สามารถทำนายได้ว่าโครงสร้างสุดท้ายจะออกมาเป็นอย่างไรและทำงานอย่างไร ดังนั้นขั้นตอนแรกนี้จึงมีความสำคัญสำหรับผลลัพธ์ที่ดี การออกแบบ CAD นี้จะถูกแปลงเป็นรูปแบบทางเทคนิค (เรียกว่าไฟล์ .stl หรือภาษาเทสเซลเลชันมาตรฐาน) ซึ่งจำเป็นสำหรับเครื่องพิมพ์ 3D เพื่อให้สามารถตีความคำแนะนำการออกแบบได้ ถัดไป จำเป็นต้องตั้งค่าเครื่องพิมพ์ 3D (คล้ายกับเครื่องพิมพ์ 2D ที่บ้านหรือที่ทำงานทั่วไป) สำหรับการพิมพ์จริง ซึ่งรวมถึงการกำหนดค่าขนาดและการวางแนว การเลือกใช้การพิมพ์แนวนอนหรือแนวตั้ง การเติมตลับหมึกด้วยผงหมึกที่เหมาะสม . NS เครื่องพิมพ์ 3D จากนั้นจึงเริ่มกระบวนการพิมพ์ ค่อยๆ สร้างการออกแบบทีละชั้นด้วยกล้องจุลทรรศน์ของวัสดุ โดยทั่วไปเลเยอร์นี้มีความหนาประมาณ 0.1 มม. แม้ว่าจะสามารถปรับแต่งให้เหมาะกับวัตถุที่ต้องการพิมพ์ได้ ขั้นตอนทั้งหมดส่วนใหญ่เป็นแบบอัตโนมัติและไม่จำเป็นต้องมีการแทรกแซงทางกายภาพ มีเพียงการตรวจสอบเป็นระยะเพื่อให้แน่ใจว่าฟังก์ชันการทำงานถูกต้อง วัตถุเฉพาะจะใช้เวลาหลายชั่วโมงต่อวันจึงจะเสร็จสมบูรณ์ ขึ้นอยู่กับขนาดและความซับซ้อนของการออกแบบ นอกจากนี้ เนื่องจากเป็นวิธีการ 'สารเติมแต่ง' จึงประหยัด เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม (โดยไม่สิ้นเปลือง) และยังให้ขอบเขตการออกแบบที่มากขึ้นอีกด้วย
ระดับถัดไป: 3D Bioprinting
การพิมพ์ชีวภาพ เป็นส่วนขยายของการพิมพ์ 3 มิติแบบดั้งเดิมด้วยความก้าวหน้าล่าสุดทำให้การพิมพ์ 3 มิติสามารถนำไปใช้กับวัสดุที่มีชีวิตทางชีวภาพ ในขณะที่การพิมพ์อิงค์เจ็ท 3 มิติถูกใช้เพื่อพัฒนาและผลิตอุปกรณ์และเครื่องมือทางการแพทย์ขั้นสูงแล้ว ยังต้องพัฒนาอีกขั้นเพื่อพิมพ์ ดู และทำความเข้าใจโมเลกุลทางชีววิทยา ความแตกต่างที่สำคัญตรงที่แตกต่างจากการพิมพ์อิงค์เจ็ต การพิมพ์ทางชีวภาพนั้นใช้หมึกชีวภาพซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างเซลล์ที่มีชีวิต ดังนั้น ในการพิมพ์ทางชีวภาพ เมื่อมีการป้อนแบบจำลองดิจิทัลเฉพาะ เนื้อเยื่อที่มีชีวิตจำเพาะจะถูกพิมพ์และสร้างขึ้นทีละชั้นทีละเซลล์ เนื่องจากส่วนประกอบเซลล์ที่มีความซับซ้อนสูงของร่างกายที่มีชีวิต การพิมพ์ชีวภาพแบบ 3 มิติจึงดำเนินไปอย่างช้าๆ และความซับซ้อน เช่น การเลือกใช้วัสดุ เซลล์ ปัจจัยต่างๆ เนื้อเยื่อ ทำให้เกิดความท้าทายในกระบวนการเพิ่มเติม ความซับซ้อนเหล่านี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการขยายความเข้าใจโดยการบูรณาการเทคโนโลยีจากสาขาสหวิทยาการ เช่น ชีววิทยา ฟิสิกส์ และการแพทย์
ความก้าวหน้าที่สำคัญในการพิมพ์ชีวภาพ
ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ใน วัสดุการทำงานขั้นสูงนักวิจัยได้พัฒนาเทคนิคการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ ซึ่งใช้เซลล์และโมเลกุลที่ปกติพบในเนื้อเยื่อธรรมชาติ (สภาพแวดล้อมตามธรรมชาติ) เพื่อสร้างโครงสร้างหรือการออกแบบที่คล้ายกับโครงสร้างทางชีววิทยา 'ของจริง' เทคนิคการพิมพ์ทางชีวภาพแบบพิเศษนี้ผสมผสาน 'การประกอบตัวเองด้วยโมเลกุล' กับ 'การพิมพ์ 3 มิติ' เพื่อสร้างโครงสร้างทางชีวโมเลกุลที่ซับซ้อน การประกอบตัวเองด้วยโมเลกุลเป็นกระบวนการที่โมเลกุลใช้การจัดเรียงที่กำหนดไว้ด้วยตัวเองเพื่อทำงานเฉพาะ เทคนิคนี้รวม 'การควบคุมคุณสมบัติโครงสร้างระดับจุลภาคและระดับมหภาค' ที่ 'การพิมพ์ 3 มิติ' ให้ด้วย 'การควบคุมระดับโมเลกุลและระดับนาโน' ที่เปิดใช้งานโดย 'การประกอบตัวเองระดับโมเลกุล' มันใช้พลังของการรวมตัวของโมเลกุลในตัวเองเพื่อกระตุ้นเซลล์ที่กำลังพิมพ์ ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการพิมพ์ 3 มิติเมื่อ 'หมึกพิมพ์ 3 มิติ' ปกติไม่ได้หมายความว่าสำหรับสิ่งนี้
นักวิจัย 'ฝัง' โครงสร้างไว้ใน 'หมึกชีวภาพ' ซึ่งคล้ายกับสภาพแวดล้อมดั้งเดิมภายในร่างกาย ทำให้โครงสร้างมีพฤติกรรมเหมือนในร่างกาย หมึกชีวภาพนี้หรือที่เรียกว่าหมึกที่ประกอบได้เองช่วยควบคุมหรือปรับคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพระหว่างและหลังการพิมพ์ ซึ่งจะช่วยกระตุ้นพฤติกรรมของเซลล์ตามนั้น กลไกอันเป็นเอกลักษณ์เมื่อนำมาใช้กับ การพิมพ์ชีวภาพ ช่วยให้เราสามารถสังเกตการณ์ว่าเซลล์เหล่านี้ทำงานอย่างไรในสภาพแวดล้อมของพวกมัน ซึ่งจะทำให้เราได้ภาพรวมและความเข้าใจในสถานการณ์ทางชีววิทยาที่แท้จริง เพิ่มความเป็นไปได้ในการสร้างโครงสร้างทางชีวภาพ 3 มิติโดยการพิมพ์โมเลกุลชีวโมเลกุลหลายประเภทที่สามารถประกอบเป็นโครงสร้างที่กำหนดไว้อย่างดีในหลายระดับ
อนาคตมีความหวังมาก!
มีการใช้การวิจัยการพิมพ์ทางชีวภาพเพื่อสร้างเนื้อเยื่อประเภทต่างๆ ดังนั้นจึงมีความสำคัญมากสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อและเวชศาสตร์ฟื้นฟู เพื่อตอบสนองความต้องการเนื้อเยื่อและอวัยวะที่เหมาะสมสำหรับการปลูกถ่าย เช่น ผิวหนัง กระดูก การปลูกถ่าย เนื้อเยื่อหัวใจ เป็นต้น นอกจากนี้ เทคนิค เปิดโอกาสมากมายในการออกแบบและสร้างสถานการณ์ทางชีววิทยา เช่น สภาพแวดล้อมของเซลล์ที่ซับซ้อนและเฉพาะเจาะจง เพื่อให้เกิดความเจริญรุ่งเรืองของวิศวกรรมเนื้อเยื่อโดยการสร้างวัตถุหรือโครงสร้างจริง ๆ ภายใต้การควบคุมแบบดิจิทัลและด้วยความแม่นยำระดับโมเลกุล ซึ่งมีลักษณะคล้ายหรือเลียนแบบเนื้อเยื่อในร่างกาย แบบจำลองเนื้อเยื่อ กระดูก หลอดเลือด และอวัยวะทั้งหมดที่มีชีวิตสามารถสร้างขึ้นได้สำหรับกระบวนการทางการแพทย์ การฝึกอบรม การทดสอบ การวิจัยและการคิดค้นยา การสร้างแบบเฉพาะเจาะจงสำหรับผู้ป่วยโดยเฉพาะสามารถช่วยในการออกแบบการรักษาที่แม่นยำ ตรงเป้าหมายและเป็นส่วนตัว
One of the biggest obstacles for bioprinting and 3D inkjet printing in general has been the development of an advanced, sophisticated software to meet the challenge at the first step of printing – creating an appropriate design or blueprint. For instance, the blueprint of non-living objects can be created easily but when it comes to creating digital models of say, a liver or heart, its challenging and not straightforward like most material objects. Bioprinting definitely has multitude advantages – precise control, repeatability and individual design but is still plagued with several challenges – the most important one being inclusion of multiple cell types in a spatial structure since a living environment is dynamic and not static. This study has contributed to advancement of การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ and lot of obstacles can be removed by following their principles. It is clear that the real success of bioprinting has several facets attached to it. The most crucial aspect which can empower bioprinting is development of relevant and appropriate biomaterials, enhancement of the resolution of the printing and also vascularisation to be able to successfully apply this technology clinically. It does seem impossible to ‘create’ fully functioning and viable organs for human transplant by bioprinting but nevertheless this field is progressing fast and plenty of developments are on the forefront now in just a few years. It should be achievable to overcome most of the challenges attached with bioprinting since researchers and biomedical engineers are already on the path to successful complex bioprinting.
ปัญหาบางอย่างเกี่ยวกับ Bioprinting
A critical point raised in the field of การพิมพ์ชีวภาพ is that it is almost impossible at this stage to test the efficacy and safety of any biological ‘personalised’ treatments being offered to patients using this technique. Also, costs associated with such treatments is a big issue especially where manufacturing is concerned. Though it is very much possible to develop functional organs that can replace human organs, but even then, currently there is no fool proof way to assess whether the patient’s body will accept new tissue or the artificial organ generated and whether such transplants will be successful at all.
Bioprinting is a growing market and will focus on the development of tissues and organs and maybe in a few decades new outcomes would be seen in 3D printed human organs and การปลูก. 3 มิติ การพิมพ์ชีวภาพ จะยังคงเป็นการพัฒนาทางการแพทย์ที่สำคัญและมีความเกี่ยวข้องมากที่สุดในชีวิตของเราต่อไป
***
{คุณสามารถอ่านรายงานการวิจัยต้นฉบับได้โดยคลิกลิงก์ DOI ที่ระบุด้านล่างในรายการแหล่งที่มาที่อ้างอิง}
แหล่งที่มา (s)
Hedegaard CL 2018 การประกอบตัวเองตามลำดับชั้นของ Hydrodynamically Guided ของ Peptide-Protein Bioinks วัสดุการทำงานขั้นสูง. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
