3D bioprinters deponerer forskellige typer celler, som en farve 3D-printer deponerer forskellige typer polymer. Foto: Det næste skridt er at bygge den ekstracellulære matrice eller stillads, som cellerne danner. Holdet frø derefter matricen med vækstfremmere og biokemikalier, der får cellerne til at udvikle sig på specifikke måder. Matricen giver også mekaniske kræfter, der former celleudvikling.for at lave strukturer som hud eller blodkar bruger laboratoriet elektrospinning, en 3D-udskrivningsteknik, der ligner de maskiner, der bruges til at spinde sukker i bomulds slik.
Bioingeniører bruger denne teknik til at dreje en hydrogelpolymer ved høje hastigheder, hvilket tvinger polymeren til at forlænges til lange fiberstrenge. De placerer derefter en tynd stang i midten af maskinen. Hydrogelfibrene klæber til stangen, ligesom fluffy bomuldsgodis fastgøres til en papirkegle. Forskere manipulerer formen af den svampede polymer ved at variere spændingen, indtil de har efterlignet den struktur, de skaber.
Læs mere: 3D-udskrivning af levende hud med blodkar
Når forskere opnår den ønskede form, sprøjter de celler fra bioreaktoren på matricen og lagrer den gentagne gange for at matche naturlige strukturer. For at genskabe hud, for eksempel, ville de starte med at anvende celler fra det subkutane lag og derefter dem fra dermis og epidermis.
når den er lagdelt på matricen, placeres strukturen i en inkubator, der efterligner forholdene i den menneskelige krop. Der begynder denne kombination af matrice, biokemikalier og celler at tage sit eget liv ved hjælp af matricen som vejledning.selvom denne teknik er perfekt til enkle og lette strukturer, som hud og blodkar, mangler den præcision og evne til at skabe solide tredimensionelle strukturer som et hjerte.

Sådan udskrives faste organer?

for at skabe et solidt organ har forskere brug for en måde at fremme væksten af blodkar, så hver celle i organet modtager ilt og næringsstoffer, og det kan eliminere affald. Oprettelse af disse blodkar træer, der forgrener sig fra store arterier til de mindste skibe, har stumpet forskere i årtier. Alligevel har Atalas team udviklet et par potentielle løsninger.

den første løsning starter med et eksisterende donororgan, såsom en lever. Først, vække Skov bioingeniører placere den i en shaker, meget gerne en vaskemaskine, med milde rengøringsmidler til omkring to uger.
” efter at have gået gennem shakeren, kunne du holde orgelet, og det ville se ud og føles som orgelet, men det ville ikke have nogen celler,” sagde Atala. “I det væsentlige havde vi bevaret organets skelet.”
dette skelet er lavet af kollagen, et protein, der findes i kroppens bindevæv og dets ekstracellulære matricer. Ligesom elektrospun-matricen giver kollagenmatricen strukturen og de mekaniske kræfter, som celler har brug for at opdele og påtage sig organrelaterede funktioner. Organskeletet deponeres derefter med patientens leverceller, som genbefolker organet og bringer det tilbage til livet med mange af funktionerne i en menneskelig lever.
selvom denne metode er lovende, betyder det stadig at vente på et donororgan, som man skal arbejde med. 3D-udskrivning kan tilbyde en vej rundt om det. Denne metode kræver meget mere forståelse af selve organet, men lover at frigøre patienter fra at vente på et donororgan.
yderligere læsning: 3D Bioprinter udskriver sund hud på patienter på få minutter
“der sker så meget i et organ som hjertet, at vi ikke kan se, medmindre vi starter fra bunden,” sagde Atala. “Vi ser på strukturen fra et 360-graders perspektiv for at sikre, at vi kan replikere organets funktionalitet på enhver mulig måde, ellers overlever det ikke.”
en måde at gøre det på er at fortsætte med at opbygge organer og lære af bygningerne. Til dette formål har Atala og hans team konstrueret over et dusin printere til at udføre de komplekse processer med at opbygge et solidt organ. Printerne fungerer som farveblækstråleprintere, men i stedet for blæk indeholder deres patroner celler adskilt efter type.for at starte er bioprinteren fyldt med patient-og organinformation, en plan for, hvad man skal bygge. Gennem et dysesystem deponerer printeren lag af celler som en tyk gel. Dette genererer langsomt organstrukturen, mens de celler, der er indlejret i den, bevares.
mens teamet stadig mestrer denne topografiske form for teknik, giver 3D-udskrivning forskere en chance for at udarbejde detaljerne. Gennem forsøg og fejl har de med succes programmeret printerne til at deponere selv de mindste blodkar i et komplekst organ.

er 3D bioprint fremtiden for organtransplantation?

uanset hvilken af disse teknikker teamet bruger, tager det cirka fire til seks uger at opbygge en sund erstatning for en patient. Fordi erstatningsvævet eller organet er lavet af patientens egne celler, er der praktisk talt ingen sandsynlighed for afvisning—hvilket betyder, at patienter heles hurtigere end nogensinde før og ikke behøver at tage medicin for at forhindre, at deres immunsystem angriber transplantationen.
yderligere læsning: Top 10 Bioengineering tendenser for 2020
“at være i stand til at skabe disse strukturer med en patients egne celler, hvor de virkelig kan tilpasse sig og helbrede, det er håbet for os,” sagde Atala. “Vi ønsker at sikre, at vi kan nå så mange patienter, som vi kan.”
Atala siger, at de mere forenklede strukturer som hud og blodkar allerede har haft vellykkede menneskelige forsøg og vil være i klinikken inden for et par år. Faste organer vil tage meget længere tid.
det har været en bemærkelsesværdig rejse for Atala, og hans fremskridt har lagt grundlaget og vidensbasen for vellykket dannelse af humant cellevæv.Cassie Kelly er ingeniør-og miljøforfatter med base i Columbus, Ohio.
Tilmeld dig i dag til Am Medical: 27. -28. maj 2020 i Minneapolis, MN