چاپ سه بعدی قلب انسان

تیمی از محققان دانشگاه کارنگی ملون مقاله ای را در Science منتشر کرده اند که جزئیات جدیدی از تکنیک جدید را در اختیارتان قرار می دهد که بتوانند داربستهای سه بعدی بیوپریتین را از کلاژن ، پروتئین اصلی ساختاری در بدن انسان خارج کنند. این روش از نوع اول نوع خود زمینه مهندسی بافت را یک قدم نزدیکتر از آن می کند تا بتوانید به صورت سه بعدی قلب انسان بالغ و بزرگ را چاپ کنید.

این تکنیک ، که به عنوان جاسازی برگشت پذیر برگشت ناپذیر از Hydrogels معلق (FRESH) شناخته می شود ، به محققان اجازه داده است تا بر بسیاری از چالش های مرتبط با روش های موجود در bioprinting 3D موجود ، غلبه کنند و با استفاده از مواد نرم و زنده به وضوح و ایمان بی سابقه ای دست پیدا کنند.

هر یک از اعضای بدن در بدن انسان مانند قلب از سلولهای تخصصی ساخته شده است که توسط یک داربست بیولوژیکی به نام ماتریکس خارج سلولی (ECM) در کنار هم قرار می گیرند. این شبکه از پروتئین های ECM ساختار و سیگنال های بیوشیمیایی را که سلول ها برای انجام عملکرد طبیعی خود نیاز دارند ، فراهم می کند. با این حال ، تاکنون امکان بازسازی این معماری پیچیده ECM با استفاده از روشهای سنتی تولید بیولوژی امکان پذیر نیست.

آدام فاینبرگ ، استاد مهندسی زیست پزشکی (BME) می گوید: "آنچه ما نشان داده ایم این است که می توانیم قطعات قلب را از سلولها و کلاژن به قسمتهایی که واقعاً عملکرد دارند مانند دریچه قلب یا بطن ضربان کوچک ضربان چاپ کنیم." علم و مهندسی مواد در کارنگی ملون ، که آزمایشگاه این کار را انجام داده است. "با استفاده از داده های MRI از قلب انسان ، ما توانستیم ساختار آناتومیك اختصاصی بیمار و كلاژن سه بعدی بیوپرینت و سلول های قلب انسان را به صورت دقیق تولید كنیم.

بیش از 4000 بیمار در ایالات متحده منتظر پیوند قلب هستند ، در حالی که میلیون ها نفر دیگر در سراسر جهان به قلب نیاز دارند اما برای لیست صلاحیت صلاحیت ندارند. نیاز به اندام های جایگزین بسیار زیاد است و برای مهندسی اندام های مصنوعی که قادر به ترمیم ، مکمل یا جایگزینی عملکرد بلند مدت اندام هستند ، رویکردهای جدیدی لازم است. فاینبرگ که عضو ابتکار عمل Bioengineered Organis Barnengineered Carnegie Mellon است ، در تلاش است برای حل این چالش ها با نسل جدیدی از ارگان های زیستی که بیشتر تکثیر ساختارهای ارگانهای طبیعی را دارند.

اندرو هادسون ، دکتری BME توضیح می دهد: "کلاژن یک ماده بیولوژیکی مطلوب برای چاپ سه بعدی است زیرا به معنای واقعی کلمه هر بافت بدن را تشکیل می دهد." دانش آموز در آزمایشگاه فاینبرگ و نویسنده اول روی کاغذ. با این وجود ، "آنچه که چاپ سه بعدی را بسیار سخت می کند این است که به صورت یک سیال شروع می شود - بنابراین اگر سعی می کنید این کار را به صورت هوا چاپ کنید ، فقط یک گودال بر روی سکوی ساخت خود ایجاد می کنید. بنابراین ما تکنیکی را ایجاد کرده ایم که مانع از این از تغییر شکل است. "

روش bioprinting FRESH 3D که در آزمایشگاه فاینبرگ ایجاد شده است ، به کلاژن اجازه می دهد تا لایه ای به لایه در یک حمام پشتیبانی از ژل قرار گیرد و به کلاژن فرصتی برای جامد شدن در محل قبل از خارج شدن از حمام پشتیبانی می دهد. با استفاده از FRESH ، ژل پشتیبانی را می توان با گرم کردن ژل از دمای اتاق تا دمای بدن پس از اتمام چاپ ، به راحتی از بین برد. به این ترتیب محققان می توانند ژل پشتیبانی را بدون آسیب رساندن به ساختار چاپی ساخته شده از کلاژن یا سلول ها از بین ببرند.

این روش برای زمینه bioprinting سه بعدی واقعا هیجان انگیز است زیرا باعث می شود داربست های کلاژن در مقیاس وسیعی از اندام های انسانی چاپ شوند. و فقط به کلاژن محدود نمی شود ، زیرا طیف گسترده ای از ژل های نرم دیگر از جمله فیبرین ، آلژینات و اسید هیالورونیک با استفاده از تکنیک FRESH می توانند به صورت سه بعدی با استفاده از تکنیک FRESH بیوپینت شوند و یک پلت فرم مهندسی بافت قوی و سازگار فراهم آورند. نکته مهم این است که محققان همچنین نقشه هایی با منبع آزاد طراحی کرده اند تا تقریباً هر کسی ، از آزمایشگاه های پزشکی گرفته تا کلاس های علوم دبیرستان ، بتواند به بیوپری های سه بعدی کم کارآمد و پرمصرف دسترسی و دسترسی داشته باشد.

با نگاه به جلو ، FRESH در بسیاری از جنبه های پزشکی احیا کننده کاربرد دارد ، از ترمیم زخم گرفته تا مصارف زیستی اندام ، اما این تنها یک قطعه از یک زمینه تولید رو به رشد است. فینبرگ می گوید: "واقعاً چیزی که ما در مورد آن صحبت می کنیم همگرایی فناوری ها است." "نه فقط آنچه آزمایشگاه من در زمینه تولید bioprinting انجام می دهد ، بلکه از سایر آزمایشگاه ها و شرکت های کوچک در زمینه علوم سلول های بنیادی ، یادگیری ماشین و شبیه سازی رایانه و همچنین سخت افزار و نرم افزار جدید bioprinting 3D نیز استفاده می کند."

فاینبرگ می افزاید: "درک این نکته مهم است که هنوز سالها تحقیق لازم در این زمینه انجام نشده است ، اما هنوز باید هیجان وجود داشته باشد که ما در حال پیشرفت واقعی در زمینه مهندسی بافتها و اندامهای عملکردی انسانی هستیم و این مقاله یک مرحله است. در طول آن مسیر. "

سایر همکاران روی کاغذ شامل نویسنده اول نویسنده اندرو لی ، دکترای BME است. دانشجوی آزمایشگاه فاینبرگ؛ پژوهشگر فوق دکترا BME دن شیورسکی؛ دکتری BME دانش آموزان جوشوا تاشمان ، TJ هینتون ، سای یرنی و ژاکلین بیلی. و استاد تحقیقات BME فیل کمپبل.