3D Bioprinting 작동 원리

미래의 Victor Frankensteins는 신체 부위를 얻기 위해 중대한 강도가 될 필요가 없습니다. 시체도 필요하지 않습니다. 대신, 우리는 그들이 바이오 프린팅으로 알려진 빠르게 발전하는 기술을 이용할 것이라고 확신 합니다. 이 3D 프린팅의 파생물은 과학자와 의료 연구원이 전통적으로 자동 설계, 모델 구축 및 제품 프로토 타이핑을 위해 예약 된 스캐너 및 프린터를 사용하여 레이어별로 장기를 구축 할 수 있도록하는 것을 목표로합니다.

이 기술을 사용하여 장난감을 만들기 위해 제조업체는 일반적으로 플라스틱과 같은 물질을 미니 냉장고 크기의 기계에 넣습니다. 그는 또한 자신이 만들고 싶은 장난감의 3D 디자인을로드합니다. 그가 기계에 인쇄하라고 지시하면 기계가 가열되고 설계를 지침으로 사용하여 녹은 플라스틱 층을 노즐을 통해 플랫폼으로 밀어냅니다. 플라스틱이 냉각되면 굳기 시작하지만 그 자체로는 원하는 물체의 한 조각에 지나지 않습니다. 그런 다음 플랫폼이 아래쪽으로 이동하여 두 번째 레이어가 첫 번째 레이어에 증착 될 수 있습니다. 프린터는 장난감 모양의 단단한 물체가 될 때까지이 과정을 반복합니다.

산업계에서는 3 차원 형상을 만들기 위해 재료를 추가하여 완제품을 만들기 때문에 적층 제조 라고합니다. 특정 모양을 얻기 위해 가공을 통해 재료를 빼는 경우가 종종있는 전통적인 제조와 다릅니다. 첨가제 제조업체는 시작 재료로 플라스틱을 사용하는 것에 국한되지 않습니다. 일부는 분말을 사용하여 접착제로 함께 고정하거나 가열하여 분말을 함께 융합합니다. 다른 사람들은 식용 조각을 만들기 위해 치즈 또는 초콜릿과 같은 음식 재료를 선호합니다. 그리고 현대판 빅터 프랑켄슈타인 (Victor Frankenstein)은 생체 조직을 인쇄하기 위해 생체 재료를 실험하고 있으며, 생체 환경에서 적절하게 층을 이루면 완전히 기능하는 기관을 인쇄합니다.

맞습니다. 스타 워즈 액션 피규어를 생산할 수있는 동일한 기술은 인간의 간, 신장, 귀, 혈관, 피부 및 뼈도 생산할 수 있습니다. 그러나 R2-D2의 3D 버전을 인쇄하는 것은 실제 심장 근육처럼 확장 및 축소되는 심장을 인쇄하는 것과 정확히 동일하지 않습니다. 액션 피규어를 잘라 내면 플라스틱을 찾을 수 있습니다. 인간의 심장을 잘라 내면 세포와 조직의 복잡한 매트릭스를 발견하게 될 것입니다.이 모든 것은 장기가 기능하기 위해 적절하게 배열되어야합니다. 이러한 이유로 바이오 프린팅은 다른 적층 제조 기술보다 더 느리게 발전하고 있지만 발전하고 있습니다. 연구자들은 이미 수정 된 3D 프린터를 구축했으며 이제 제약 테스트 및 궁극적으로 이식을 위해 조직과 장기를 인쇄 할 수있는 프로세스를 완성하고 있습니다.

내용

1. 바이오 프린팅의 3D 역사
2. 잉크젯 프린터처럼
3. Bioprinter 구성 요소
4. 주문 제작 기관
5. 하나, 둘, 셋, 인쇄!
6. 3D 장기에 사용

인간 장기 인쇄에 대한 약속은 Charles Hull이 스테레오 리소그래피를 발명 한 1983 년에 시작되었습니다 . 이 특별한 유형의 인쇄는 노즐에서 압출 된 폴리머 재료를 고형화하기 위해 레이저에 의존했습니다. 설계 지침은 CAD (Computer-Aided Design) 소프트웨어에서 개체의 3D 모양을 정의한 다음 파일을 프린터로 보내는 엔지니어로부터 나왔습니다. Hull과 그의 동료들은 일련의 삼각형면으로 표현되는 물체의 표면 형상에 대한 정보를 전달하는 .stl이라는 파일 형식을 개발했습니다.

처음에는 스테레오 리소그래피에 사용 된 재료가 오래 지속되는 물체를 만들기에 충분히 견고하지 않았습니다. 그 결과 초기에 엔지니어들은 최종 제품 (예 : 자동차 부품)을 모델링하는 방법으로이 프로세스를 엄격하게 사용하여 결국 전통적인 기술을 사용하여 제조되었습니다. 래피드 프로토 타이핑으로 알려진 전체 산업이이 기술을 중심으로 성장했으며 1986 년 Hull은 3D Systems를 설립하여 3D 프린터와 여기에 들어갈 재료를 제조했습니다.

1990 년대 초까지 3D Systems는 나노 복합재 , 혼합 플라스틱 및 분말 금속과 같은 차세대 재료를 도입하기 시작했습니다 . 이 소재는 내구성이 더 뛰어나 완제품에 대한 디딤돌이 아니라 완제품으로 기능 할 수있는 강하고 튼튼한 물체를 생산할 수있었습니다.

의학 연구자들이 알아 차리는 데 오래 걸리지 않았습니다. 오르간이란 무엇입니까? 너비, 높이 및 깊이를 가진 물체는 무엇입니까? 이러한 구조는 3 차원으로 매핑 될 수 없습니까? 3D 프린터는 그런지도를받은 다음 후드 장식이나 보석 조각을 렌더링하는 것과 같은 방식으로 오르간을 렌더링 할 수 없습니까? 프린터 카트리지가 플라스틱 대신 생체 물질을 뿌려 주면 이러한 업적을 쉽게 달성 할 수 있습니다.

과학자들은 그러한 물질을 찾기 위해 계속해서 1990 년대 후반까지 장기 제작을 현실로 만들기위한 실행 가능한 기술과 과정을 고안했습니다. 1999 년에 웨이크 포레스트 재생 의학 연구소의 과학자들은 3D 프린터를 사용하여 인간 방광의 합성 골격을 구축했습니다. 그런 다음 환자에게서 채취 한 세포로 스캐 폴드를 코팅하고 성공적으로 작동하는 장기를 성장 시켰습니다. 이것은 진정한 바이오 프린팅의 단계를 설정했습니다. 2002 년에 과학자들은 동물 모델에서 혈액을 여과하고 소변을 생성 할 수있는 기능성 신장을 소형으로 인쇄했습니다. 그리고 2010 년 샌디에고에 본사를 둔 바이오 프린팅 회사 인 Organovo는 최초의 혈관을 인쇄했습니다.

오늘날 혁명은 계속되고 있습니다. 중심 무대는 프린터 자체와 여기에 포함 된 살아있는 잉크의 특별한 혼합입니다. 다음에 둘 다 다룰 것입니다.

3D 프린팅의 아이디어는 누구나 알고있는 기술인 잉크젯 프린터 에서 직접 발전했습니다 . HP 또는 Epson 기기가 인쇄 된 페이지를 튀어 나오는 것을 보면 모터에 의해 구동되는 프린트 헤드가 종이를 가로 질러 가로 띠로 움직이는 것을 볼 수 있습니다. 이동함에 따라 카트리지에 저장된 잉크는 작은 노즐을 통해 분사되고 일련의 미세한 방울로 페이지에 떨어집니다. 고해상도 설정은 저해상도 설정보다 더 많은 잉크를 증착하는 이미지를 만들기 위해 물방울이 쌓입니다. 전체적으로 위에서 아래로 커버리지를 얻기 위해 프린트 헤드 아래에있는 종이 시트가 수직으로 말아 올립니다.

잉크젯 프린터의 한계는 x 축과 y 축을 따라 2 차원으로 만 인쇄한다는 것입니다. 3D 프린터는 일반적으로 수학 응용 프로그램에서 z 축으로 레이블이 지정된 추가 축을 따라 인쇄하는 메커니즘을 추가하여이를 극복합니다. 이 메커니즘은 플랫폼을 위아래로 움직이는 엘리베이터 입니다. 이러한 배열을 통해 잉크 헤드는 재료를 좌우로 눕힐 수 있지만 엘리베이터가 플랫폼을 프린트 헤드에서 떨어 뜨릴 때 수직으로 레이어를 증착 할 수도 있습니다. 카트리지를 플라스틱으로 채우면 프린터가 3 차원 플라스틱 위젯을 출력합니다. 셀로 채우면 대량의 셀이 출력됩니다.

개념적으로 바이오 프린팅은 정말 간단합니다. 실제로 기관에는 두 가지 유형 이상의 재료가 포함되어 있기 때문에 조금 더 어렵습니다. 그리고 그 물질은 살아있는 조직이기 때문에 영양분과 산소를 ​​공급 받아야합니다. 이를 수용하기 위해 바이오 프린팅 회사는 의료 커뮤니티에 더 나은 서비스를 제공하기 위해 3D 프린터를 수정했습니다.

Bioprinter는 어디에서 찾을 수 있습니까?

상상할 수 있듯이 바이오 프린팅 기술은 Amazon에서 주문할 수있는 시점에 있지 않지만 예를 들어 Harvard Medical School, Wake Forest University 및 Sanford Consortium과 같은 기관에서 Organovo의 NovoGen MMX 바이오 프린터를 찾을 수 있습니다. 재생 의학. 실제로 기관 유형이 아니라면 BioCurious 의 사람들로부터 DIY 바이오 프린터 용 Instructable 을 확인하고 싶을 수 있습니다 .

우리가 원하는대로 바이오 프린터를 분해한다면 다음과 같은 기본 부품을 만나게 될 것입니다.

프린트 헤드 마운트 -바이오 프린터에서 프린트 헤드는 수평 트랙을 따라 움직이는 금속판에 부착됩니다. X 축 모터는 금속판 (및 프린트 헤드)을 좌우로 밀어 재료를 수평 방향으로 증착 할 수 있습니다.

엘리베이터 -기계 뒤쪽에서 수직으로 움직이는 금속 트랙 인 엘리베이터는 z 축 모터로 구동되며 프린트 헤드를 위아래로 움직입니다. 이것은 재료의 연속적인 층을 다음 층 위에 쌓을 수있게합니다.

플랫폼 -기계 바닥에있는 선반은 생산 과정에서 장기를 놓을 수있는 플랫폼을 제공합니다. 플랫폼은 스캐 폴드, 페트리 접시 또는 웰 플레이트를 지원할 수 있으며, 여기에는 제약 테스트를 위해 장기 조직 샘플을 보관할 수있는 최대 24 개의 작은 함몰 부가 포함될 수 있습니다. 세 번째 모터는 Y 축을 따라 플랫폼을 앞뒤로 움직입니다.

저수지 - 저수지 는 프린트 헤드에 부착되고 프린팅 프로세스 중에 증착 될 생체 물질을 보유합니다. 이것은 잉크젯 프린터의 카트리지와 동일합니다.

프린트 헤드 / 주사기 -펌프는 플랫폼 바로 위에 위치한 작은 노즐이나 주사기를 통해 저장소에서 재료를 아래로 밀어냅니다. 재료가 압출됨에 따라 플랫폼에 레이어가 형성됩니다.

삼각 측량 센서 -작은 센서가 각 프린트 헤드가 x, y, z 축을 따라 이동할 때 끝 부분을 추적합니다. 소프트웨어는 기계와 통신하므로 인쇄 헤드의 정확한 위치를 프로세스 전반에 걸쳐 알 수 있습니다.

Microgel- 집에서 프린터에로드하는 잉크와 달리 바이오 잉크는 살아 있기 때문에 생존하려면 음식, 물, 산소가 필요합니다. 이러한 양육 환경은 마이크로 젤에 의해 제공됩니다. 비타민, 단백질 및 기타 생명 유지 화합물이 풍부한 젤라틴을 생각해보십시오. 연구원들은 인쇄하기 전에 세포를 겔과 혼합하거나 한 프린트 헤드에서 세포를 압출하고 다른 프린트 헤드에서 마이크로 겔을 압출합니다. 어느 쪽이든, 젤은 세포가 부유 상태를 유지하도록 돕고 침전 및 응집을 방지합니다.

Bioink- 장기는 조직으로 만들어지고 조직은 세포로 만들어집니다. 장기를 인쇄하려면 과학자가 자신이 만들고자하는 장기에 특정한 세포를 증착 할 수 있어야합니다. 예를 들어, 간을 만들기 위해 그녀는 간세포 (간의 필수 세포)와 다른 지원 세포로 시작합니다. 이러한 세포는 바이오 잉크 라고하는 특수 물질을 형성하며 , 프린터의 저장소에 배치 된 다음 프린트 헤드를 통해 압출됩니다. 세포가 플랫폼에 축적되어 마이크로 겔에 내장됨에 따라 인간의 장기 와 유사한 3 차원 모양을 가정합니다 .

또는 과학자 는 인쇄 과정 후에 원하는 표적 세포로 분화 할 수있는 잠재력을 가진 줄기 세포 로 구성된 바이오 잉크로 시작할 수 있습니다. 어느 쪽이든, 바이오 잉크는 단순히 매체이고 바이오 프린터는 출력 장치입니다. 다음으로 단일 환자를 위해 특별히 설계된 장기를 인쇄하는 데 필요한 단계를 검토합니다.

연구자들이 바이오 잉크를 증착하고 살아있는 세포 덩어리를 형성 할 수있는 3D 프린터를 만들었을 때 그들은 중요한 성과를 축하했습니다. 그런 다음 그들은 즉시 다음 큰 문제를 다루기 시작했습니다. 바이오 프린팅은 어떻게 특정 사람을위한 장기를 생산할 수 있습니까? 이를 달성하기 위해 의료 팀은 해당 기관의 크기, 모양 및 위치에 대한 데이터를 수집해야합니다. 그런 다음 팀원은 환자로부터 채취 한 세포를 사용하여 바이오 잉크를 합성해야합니다. 이렇게하면 인쇄 된 장기가 유 전적으로 호환되고 환자의 신체에 이식 된 후에는 거부되지 않습니다.

방광과 같은 단순한 장기의 경우 연구자들은 살아있는 조직을 직접 인쇄하지 않습니다. 대신, 그들은 생분해 성 폴리머 또는 콜라겐으로 만든 3D 스캐 폴드를 인쇄합니다. 스캐 폴드의 정확한 모양을 결정하기 위해 먼저 CAD (Computer-Aided Design) 소프트웨어를 사용하여 3D 모델을 만듭니다. 일반적으로 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 또는 자기 공명 영상 (MRI) 기술을 사용하여 환자를 스캔하여 모델의 정확한 x, y 및 z 좌표를 정의합니다.

다음으로 연구자들은 환자의 방광 생검을 통해 필요한 세포를 얻습니다. 그런 다음 세포 샘플을 배양 물에 배치하여 스캐 폴드를 덮을 수있을만큼 충분히 큰 집단으로 증식하여 세포가 조직되고 강화 될 때 달라 붙을 수있는 임시 기질을 제공합니다. 비계를 파종하려면 피펫으로 시간이 많이 걸리고 힘든 수작업이 필요합니다. 이러한 인공 방광이 이식 준비가되기까지 일반적으로 약 8 주가 걸립니다. 의사가 마침내 환자에게 장기를 배치하면 비계가 사라지거나 수술 직후 사라집니다.

위의 절차는 방광 조직에 두 가지 유형의 세포 만 포함되어 있기 때문에 작동합니다. 신장과 간과 같은 기관은 세포 유형이 다양하고 훨씬 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 비계를 인쇄하는 것은 쉬울 수 있지만 조직의 3 차원 구조를 수동으로 재현하는 것은 거의 불가능합니다. 그러나 바이오 프린터는 이러한 시간 소모적이고 세부적인 작업을 완료하는 데 이상적입니다.

복잡한 오르간을 인쇄하는 단계는 다음과 같습니다.

이 과정의 마지막 단계 (인쇄 된 장기 세포가 네이티브 세포처럼 작동하도록 만드는)는 어려웠습니다. 일부 과학자들은 환자의 줄기 세포로 바이오 프린팅을 수행 할 것을 권장합니다. 필요한 3 차원 공간에 배치 된 후 "행동"하는 방법에 대한 모든 지침과 함께 성숙한 세포로 분화합니다. 그리고 물론 인쇄 된 장기의 모든 세포에 혈액을 공급하는 문제가 있습니다. 현재 바이오 프린팅은 작은 단일 세포 두께의 모세관을 만들기에 충분한 해상도를 제공하지 않습니다. 그러나 과학자들은 더 큰 혈관을 인쇄했으며 기술이 발전함에 따라 다음 단계는 생존하고 건강을 유지하는 데 필요한 혈관 화를 갖춘 완전한 기능의 대체 기관 이 될 것 입니다.

출판 당시 외과 의사들은 처음부터 인쇄 된 장기를 인간에게 이식하지 않았습니다. 그렇다고 성공이 없었다는 의미는 아닙니다. 골격의 일부를 교체하는 것은 3D 프린팅으로 혁명을 일으키는 영역 중 하나입니다. 일부 치과 의사는 이제 환자의 치아를 구강 내 스캔하여 3D 프린터를 사용하여 자기 다리를 만드는 실험실로 스캔을 보냅니다. 보철 제조업체는 의족 설계에 대한 접근 방식도 변경했습니다. 이제 많은 사람들이 사람의 해부학 적 구조에 완벽하게 어울리는 인공 팔다리 커버 인 페어링을 인쇄하여 착용자에게보다 편안한 착용감을 제공합니다. 이것들은 미래가 어떻게 될지에 대한 전주곡 일뿐입니다 : 신체에 배치하기 위해 전체 뼈를 인쇄하는 것입니다.네덜란드의 의사들은 이미 3D 프린터로 하악골을 만들고 만성 뼈 감염으로 고통받는 환자에게 바이오 세라믹 코팅 티타늄으로 만든 턱을 이식했습니다.

과학자들은 또한 귀와 기관과 같은 연골 구조를 성공적으로 인쇄했습니다. 전자를 만들기 위해 생명 공학자는 환자의 귀를 3D 스캔하고 CAD 소프트웨어를 사용하여 금형을 디자인 한 다음 인쇄합니다. 그런 다음 연골 세포와 콜라겐을 곰팡이에 주입합니다. 인큐베이터에서 시간을 보낸 후 귀가 나와 환자에게 부착 할 준비가되었습니다. 기관은 비슷한 방식으로 만들 수 있습니다. 2012 년 미시간 대학의 의사들은 CT 스캔에서 생성 된 3D 모델로 만든 슬리브를 인쇄하여 드문 결함으로 인해 약하고 흐릿해진 아기의 기관을 감싸고지지했습니다.

물론 성배는 생체 인쇄 된 기관이며 신체에서 가장 큰 기관인 피부가 목록의 첫 번째 항목 일 수 있습니다. 웨이크 포레스트 재생 의학 연구소의 연구원들은 이미 피부 이식을 인쇄하기위한 완전한 시스템을 개발했습니다. 이 시스템에는 환자의 상처를 매핑하는 스캐너와 인간 피부를 형성하는 데 필요한 세포, 단백질 및 효소를 배치하는 특수 제작 된 잉크젯 프린터가 포함되어 있습니다. 목표는 의사가 환자에게 직접 피부를 출력 할 수있는 야전 병원에서 사용할 휴대용 프린터를 만드는 것입니다.

이러한 경이가 온라인에 올 때까지 3D 장기는 교육 및 약물 개발에 중요한 역할을 할 것입니다. 식품 및 의류 제품 (실험실에서 재배 한 육류 및 가죽)의 개발에도 영향을 미칠 수 있습니다. 일부 의과 대학은 CT 또는 MRI 이미지에서 장기의 수술 모델을 만들기 위해 3D 프린팅 기술에 투자했습니다. 이를 통해 학생들은 실제처럼 보이고 느껴지는 심장, 간 및 기타 구조에 대해 연습 할 수 있습니다. 이러한 생생한 조직에 접근 할 수 있다는 것은 제약 회사에도 도움이되며, 후보 약물을 테스트하여 그 효과를 확인할 수 있습니다. Organovo에는 간, 신장 및 암 조직의 3 차원 모델을 인쇄 할 수있는 여러 프린터가 있습니다. 이것들은 무기한 살기를 의미하는 완전한 장기가 아닙니다. 대신, 그들은 "칩상의 장기"입니다.천연 조직처럼 반응하도록 설계된 생물학적 활성 조직 샘플.

아마도 언젠가는 바이오 프린팅이 누구나 장기, 뼈, 근육을 인쇄하고이를 인간의 합리적인 팩스로 조립할 수있는 빅터 프랑켄슈타인이 될 것입니다. 그리고 다시 신경계의 문제가 있습니다. 최고의 스캐너, 프린터, 잉크 및 젤조차도 생각하고 꿈꾸는 두뇌를 재현하는 데는 부족할 것입니다. 그리고 그것 없이는 우리의 노력은 해부학 적으로 정확하고 3 차원 적으로 정확한 기관의 모음을 남길 것이지만 그것들을 통제 할 수는 없을 것입니다.

Bioprinting의 보스는 누구입니까?

미국에서는 그 역할이 식품의 약국에 속할 것이지만 이것은 FDA의 새로운 영역이기도합니다. 에 따르면 2013년 8월 15일, 블로그 게시물 , 과학 및 공학 연구소의 기관의 사무실 (OSEL)에 두 개의 실험실이 사건에 있습니다. 고체 역학 연구소는 "다양한 인쇄 기술과 공정이 의료 기기에 사용되는 재료의 강도와 내구성에 미치는 영향"을 평가 하느라 분주합니다. Functional Performance and Device Use Laboratory는 "다른 환자 집단에서 사용할 때 장치의 안전성과 성능에 대한 설계 변경의 영향을 결정하는 데 도움이되는 컴퓨터 모델링 방법을 개발하고 조정했습니다"[출처 : Pollack and Coburn ].

작성자 주 : 3D Bioprinting 작동 방식

제 첫 번째 프린터를 기억합니다. 코모도어 64에 연결된 Brother 타자기와 IBM PC로 구동되는 데이지 휠 프린터였습니다. 언젠가 데스크탑에 바이오 프린터가 설치 될 수 있다는 사실을 믿기 어렵습니다. 그렇다면 새 바이오 잉크 카트리지를 어디서 구할 수 있을지 궁금합니다.

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