3D 바이오프린팅 기술 개요

21세기에 몰입한 3D 바이오프린팅. 적층 제조를 통해 인체 조직을 인쇄한다는 것은 놀라운 아이디어입니다.

조직 재생 및 조직 공학 의학의 탁월한 단계라고 할 수 있습니다.

지난 수십 년 동안 이 기술은 인간 조직을 모방한 기능적 조직 구조를 만드는 데 사용되었습니다.

따라서 3D 바이오프린팅은 약물의 동물 및 인간 임상 시험과 관련된 긴 과정을 종료할 수 있습니다.

또한 조직 거부로 인해 실패하기 쉬운 장기 이식 중 장기 부족에 대한 솔루션이 될 수 있습니다. 이 돌파구는 전 세계적으로 장기 기증의 절박한 상태를 종식시킬 것입니다. 3D 바이오프린팅에 대해 알아야 할 모든 것이 있습니다.

3D 바이오프린팅이란 무엇입니까?

적층 제조는 장기 공학에서 그 적용을 확장했습니다. 이 과정에는 여러 층(한 층 또는 다른 층)으로 기관이나 조직을 구축하는 과정이 포함됩니다. 3D 프린팅의 상향식 접근 방식을 활용합니다.

레이어별 접근 방식을 사용하면 일반적인 세포 구조를 모방하는 특정 방식으로 1차 세포, 생체 공학 및 기타 재료를 증착할 수 있습니다.

따라서 이 과정은 합성된 조직이나 복잡한 자연 조직의 정상적인 기능과 구조를 가진 기관으로 이어집니다.

3차원 바이오프린팅에서는 생체 분자와 세포를 기질에 인쇄하여 필요한 3D 형태로 구성물을 함께 유지하는 특정 패턴을 형성합니다. 3D 바이오프린팅은 살아있는 인간 줄기 세포, 조직 등을 사용합니다.

따라서 살아있는 조직과 관련된 양식을 따라야 합니다. 이러한 양식에는 세포 및 재료의 생체 적합성, 인쇄 재료 및 방법에 대한 세포 민감도, 관류 및 성장 인자 전달이 포함됩니다.

전임상 시험에서 바이오 프린팅 조직이 동물과 인간을 대체할 수 있는 이유

바이오 프린팅 프로세스가 자동화됩니다. 따라서 이 자동화는 정확한 세포 패턴과 제어된 세포외 통신 및 조직을 보장합니다.

또한, 생합성 조직의 층간 제작은 인쇄된 조직이 상호 연결된 기공을 갖도록 보장합니다.

따라서 세포 간 및 세포 내 통신이 개선된 생체 인쇄 조직 또는 기관은 생체 내 인간 생리학에 이상적입니다.

이 기능은 동물 조직이 인간의 병태생리학적 반응을 충분히 예측하지 못할 수도 있기 때문에 전임상 시험에서 얻은 데이터에 도움이 되기 때문에 합성 조직을 더 좋게 만들 것입니다.

3D 바이오프린팅은 어떻게 작동합니까?

인체의 조직은 손상을 받고 매일 퇴화합니다. 그러나 조직 재생 능력은 사고나 심장병과 같은 빈번한 외상을 처리하는 데 충분하지 않을 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 이러한 상태의 치료는 조직 또는 장기 이식에 달려 있습니다. 따라서 전체 과정이 면역 반응이나 이식 거부 반응을 일으킬 위험이 있습니다.

두 가지 문제를 해결하는 데 3D 프린팅이 유용합니다.

왜요? 장기가 필요하기 때문에 3D 바이오프린팅을 통한 재생의학의 목표는 줄기세포에 필요한 장기나 조직을 제공하는 것입니다. 그러면 이러한 자가면역 반응을 유도하지 않는 완벽한 조직을 갖게 됩니다.

3D 바이오프린팅의 개념은 조직과 기관을 합성하기 위한 재료 과학 원리와 인간 생물학을 수반합니다.

따라서 주요 초점은 간경변이나 심부전과 같은 손상된 장기 또는 조직을 복구하는 것입니다. 따라서 아이디어는 조직 재생으로 이어지는 줄기 세포 분화로 이어지는 조직의 고유한 생물학적 복잡성을 모방하는 것을 중심으로 이루어집니다.

일반 기증 대신 3D 바이오프린팅을 하는 이유

일반적인 기증에서 조직 또는 장기 거부로 이어지는 과정은 무엇보다도 세포 형성 및 연결 간기의 결과입니다. 혈관 내피 성장 인자와 같은 성장 인자의 영향을 받습니다.

이 과정은 다소 무작위적이며 세포 외 기질이나 세포의 맞춤형 분포를 허용하지 않습니다. 또한 효율성과 시간 소모가 적습니다. 경제적, 물류적 관점에서 볼 때 이러한 단점은 임상적용에 이식이 불가능하다는 결과를 낳습니다.

따라서 적층 제조는 3D 바이오프린팅의 하향식 접근 방식을 통해 조직 공학을 탐구하는 데 도움이 됩니다.

이 접근 방식은 컴퓨터 지원 설계를 사용하여 해부학적으로 정확한 정확한 기하학을 생성하는 데 도움이 되는 물질을 증착하는 데 제어된 특성을 가지고 있습니다.

3차원 바이오프린팅의 목적은 무엇입니까?

Allevi 3D 프린터에 따르면 120,000명 이상의 미국 시민이 장기 기증을 필요로 합니다.

다른 수많은 환자들은 이식 후 면역 억제로 인해 만성 및 기타 말기 건강 상태를 갖고 있고, 다른 사람들은 장기간 손상으로 인해 건강 상태가 좋지 않습니다.

따라서 압력이 증가하고 장기 이식 대안이 필요합니다. 적층 제조는 과학 및 의료 커뮤니티가 다양한 분야의 연구원, 엔지니어 및 의사를 구성하여 인간 건강과 관련된 문제에 직면하도록 도왔습니다.

3차원 바이오프린팅은 장기 및 조직 이식 대기자 명단의 제거를 약속하는 도구입니다. 또한 제약 개발에서 바이오프린팅은 동물 및 인간과 생물학적으로 관련된 약물 임상 시험을 보다 빠르고 저렴하게 수행할 수 있는 방법을 제공합니다.

예를 들어 이 장치는 외과의가 정맥에 합류하여 합병증을 줄이는 데 도움이 됩니다. 3차원 인쇄는 또한 더 쉬운 약물 전달 시스템을 제공하는 데 도움이 됩니다.

놀랍게도, 3D 바이오프린팅의 추가 진화는 뼈 조직 공학 및 피부 조직, 심장 조직, 장기 패치 또는 환자의 줄기 세포를 사용한 완전한 장기 대체를 만들 것입니다.

3D 프린팅의 목표는 의사와 연구원에게 개선된 결과와 함께 표적 치료를 위한 더 나은 도구를 제공하는 것입니다.

3D 바이오프린팅은 언제 발명되었나요?

이 질문은 도트 매트릭스 프린터가 발견된 1900년대 초반으로 돌아가게 합니다.

Charles Hall의 데이터에서 유형의 물체를 인쇄할 수 있는 3D 프린터는 모든 애호가와 엔지니어가 조직과 건물을 포함한 다양한 물체를 인쇄할 수 있는 기반을 형성했습니다.

그러나 3차원 바이오프린팅은 2000년 누군가가 환자의 특성과 거의 일치하는 보철물과 임플란트를 만들면서 시작되었습니다. 의료 분야는 3D 프린팅과 해부학적 모델링의 비생물학적 사용을 수용했습니다.

2003년 Thomas Boland는 생체 적합 물질의 바이오 잉크를 사용하여 생체 조직을 인쇄하는 최초의 3차원 바이오 프린터를 만들었습니다. 2003년의 획기적인 발전에 이어 2006년 최초의 실험실 제작 인간 방광 이식과 2009년 최초의 혈관 바이오프린팅이 성공했습니다.

3D 바이오프린팅 절차

3차원 바이오프린팅 전략은 재료의 정확한 레이어링을 중심으로 이루어집니다. 바이오프린팅 프로세스에는 준비, 인쇄 및 사후 처리 단계가 포함됩니다.

준비 단계에서는 컴퓨터 그래픽을 사용하여 3D 모델을 설계합니다. 이러한 모델은 해부학적으로 정확해야 합니다.

사용할 바이오 잉크도 선택합니다. 이 선택은 원하는 근육 조직이나 구조를 결정하여 포유류 세포, 내피 세포 또는 필요한 기타 세포 유형을 포함하여 올바른 재료를 선택한다는 것을 의미합니다.

두 번째 단계는 첨가제 재료를 선택하는 것이고 마지막 단계는 제작된 구조를 성숙시키는 것입니다.

바이오프린팅 기술

비계 없이 또는 비계 기반으로 바이오프린팅을 수행할 수 있습니다. 스캐폴드 기반 모드; 매트릭스는 제조 공정에 사용된 계층으로 구성됩니다. 이 생체 재료 매트릭스는 바이오 잉크를 패턴화합니다. 따라서 세포를 함유한 하이드로겔, 필름 또는 나노섬유를 사용할 수 있습니다.

참고:결과 생물학적 구성은 전형적인 세포외 기질 환경을 밀접하게 모방해야 합니다. 이 측면은 생물학적 구성물의 세포가 증가하고 성장할 수 있도록 합니다.

스캐폴드가 없는 바이오프린팅은 조직과 세포 응집체를 회전 타원체, 실린더, 벌집 등으로 침착시키는 것을 수반합니다. 두 번째 프로세스는 조직 회전 타원체를 피펫에 넣은 다음 압출에 의해 3D 바이오 프린터 몰드의 제한된 공간에 파이펫을 배치하는 것입니다.

그런 다음 세포는 세포 기질을 형성하여 조직 성숙을 유도합니다. 따라서 곰팡이가 제거됩니다.

3D 바이오프린팅의 단점은 무엇입니까?

지속적인 잉크젯 바이오프린팅의 오염 위험:인쇄물에서 편향되지 않은 바이오 잉크는 프린터로 재순환됩니다. 재순환으로 인해 오염될 수 있습니다.

부적절한 소프트웨어와 같은 바이오프린팅 구성요소의 부족은 생물학적 분자, 생체 재료 및 세포 배치를 정의할 수 있습니다. 이는 3D 바이오프린팅 작업을 방해합니다.

비계 변형에서 기계적 및 구조적 지원을 제공하지 않으면 새로 형성된 조직이 실패할 수 있습니다. 따라서 안정적인 3D 구조를 제작해야 합니다.

바이오프린팅의 종류는 얼마나 됩니까?

세포외 기질의 제조 및 선택적 패터닝을 위한 몇 가지 3차원 인쇄 기술이 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 잉크젯 인쇄
• 압출 인쇄
• 레이저 보조 바이오프린팅
• 광석판 바이오프린팅

잉크젯 기반 3차원 바이오프린팅

잉크젯 바이오 프린팅은 바이오 종이에 바이오 잉크와 살아있는 세포를 사용합니다. 바이오 잉크는 점도가 낮은 생체 물질 현탁액이고, 바이오 종이는 고분자 구조물, 배양 접시 또는 하이드로겔 기질과 같은 생체 물질 물질입니다.

이 기술은 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 첫 번째 방법은 연속 잉크젯 인쇄입니다. 여기에서 바이오 잉크에 압력을 가하면 물방울이 연속적으로 생성됩니다. 압력으로 인해 잉크가 빠져 나옵니다.

그런 다음 바이오 잉크 스트림을 기판으로 편향시키는 전기장을 적용합니다. 거터는 재사용을 위해 스트림에 정렬되지 않은 초과 방울을 수집합니다.

둘째, 주문형 잉크젯 바이오프린팅이 있습니다. 이 작업은 요청 시 물방울을 생성한다는 점을 제외하고는 연속 잉크젯 인쇄와 유사합니다. 따라서 지속적으로 압력을 가하는 대신 펄스 압력을 가합니다.

레이저 포워드 전송

레이저 유도 순방향 전사는 기판에 바이오 잉크를 증착하기 위해 레이저 빔을 사용합니다. 이 방법은 3차원 인쇄를 위한 비접촉 쓰기 프로세스를 제공합니다.

이 방법에는 레이저 소스(펄스), 바이오 잉크 코팅 리본 및 수용 기판을 포함한 세 가지 중요한 요소가 있습니다. 나노초 펄스의 UV 레이저를 에너지원으로 사용할 수 있습니다.

원래 LIFT는 고에너지 레이저 펄스를 사용하여 투명 기판을 직접 증착하여 투명 기판에 금속 형상을 낙서했습니다. 이 기술은 AFA-LIFT로 확장됩니다.

바이오프린팅을 위한 흡수 필름 ​​보조(LIFT)

여기에서는 바이오 잉크와 리본 인터페이스에 금속 레이저 흡수층을 포함합니다. 이 층은 희생 층으로 작용하여 세포가 레이저에 노출되지 않도록 보호합니다.

이 기술에서는 세포를 세포외 기질에 직접 인쇄할 수 있습니다. 또한 인쇄 과정에서 캡슐화된 조각으로 인쇄할 수 있습니다.

압출 기반 바이오프린팅

압출 바이오프린팅은 압력 보조 바이오프린팅과 직접 잉크 쓰기의 두 가지 방식으로 수행됩니다. DIW는 3차원 바이오프린터가 층별 3D 아키텍처를 생성하는 재료를 압출하는 공압 압출 공정을 수반합니다.

압력 보조 인쇄에서는 장치 항복 응력보다 높은 응력을 적용하여 흐름을 유도합니다. 따라서 전단 응력을 해제하고 바이오 잉크를 기판에 적용한 후 강성을 회복합니다.

SLA 3D 바이오프린팅

SLA 바이오프린팅은 복잡성보다는 생체적합성 물질의 높이에 따라 달라집니다.

이 기술은 재료를 추가하고 빛을 투사하여 복잡한 조직을 레이어별로 구성합니다. 열경화성 및 감광성 바이오 잉크에 빛을 투사합니다.

이 기술은 가교제로 빛을 사용하기 때문에 감광성은 생체 재료에 대한 요구 사항입니다. 따라서 PEG 유도체와 같은 광경화성 부분을 포함해야 합니다.

의료 부문은 진단 보철 개선을 위한 MRI 및 CT 스캔을 포함하여 영상 기술에 SLA 바이오프린팅을 통합합니다.

이 부문은 또한 복잡한 수술을 달성하기 위해 그것을 사용합니다. SLA 바이오프린팅에는 다광자와 단일 광자 인쇄 방법의 두 가지 범주가 있습니다.

3D 바이오프린팅의 혜택을 받을 수 있는 사람은 누구입니까?

장기 및 조직 바이오프린팅에는 더 많은 연구가 필요합니다. 그러나 우리는 이 도구가 다양한 환자에게 주로 도움이 될 사람을 예상할 수 있습니다. 다음은 바이오프린팅이 적용 가능한 영역 목록입니다.

• 피부 조직 바이오프린팅
• 뼈 조직 바이오프린팅
• 연골 조직 바이오프린팅
• 심장 조직 바이오프린팅

조직 및 장기의 3D 바이오프린팅이란 무엇입니까?

피부 조직 바이오프린팅

인간의 피부는 피지선, 땀샘, 머리카락 및 손톱과 같은 부속 구조로 복잡합니다. 또한 다양한 유형의 세포와 신경 종말이 있습니다. 콜라겐 조직은 피부 탄력을 담당합니다.

3D 바이오프린팅은 인간의 피부를 인쇄할 수 있으며, 이는 4단계로 모든 특성을 생성하여 필요한 기계적 특성을 부여하는 것을 수반합니다. 첫 번째 단계는 준비 단계로, 생검에서 피부 줄기 세포를 얻고 배양액으로 확장하여 바이오 잉크를 만듭니다.

두 번째 단계는 실제 인쇄 후 세포가 증가하고 성숙하는 후처리입니다.

마지막으로 피부 조직의 기능을 특성화하고 평가합니다. 따라서 피부 조직 바이오프린팅은 피부암이나 피부병, 화상, 노화 및 피부 주름이 고민인 사람들에게 큰 도움이 될 것입니다.

심장 조직 바이오프린팅

심혈관 질환은 많은 사람들에게 계속해서 사망을 초래했습니다. 일반적인 심장 질환에는 심정지, 심근경색증, 심부전, 협심증, 심근병증 등이 포함됩니다. 또한 동맥과 정맥은 협착증과 같은 만성 질환을 보입니다.

안타까운 소식은 심근세포는 자가 재생이나 복구 과정이 없기 때문에 대체할 수 없다는 것입니다. 그들의 지속적인 죽음은 콜라겐 조직 성장을 증가시켜 심근병증의 위험을 증가시킵니다. 이러한 상황에서는 심장 기증자를 얻기가 어렵습니다.

그러나 3D 바이오프린팅을 사용하면 이러한 건강 상태를 관리할 수 있습니다. 심장 조직 바이오프린팅은 특히 심장 근육의 자동 리듬 특성을 달성하는 데 있어 심장 근육의 복잡성으로 인해 어렵습니다.

연골 조직 바이오프린팅

연골은 뼈 끝을 덮고 있는 매끄러운 흰색 조직입니다. 프로테오글리칸, 콜라겐, 단백질로 이루어진 복잡한 구조입니다.

연골 조직이 무혈성이어서 신경계와 림프계도 닿지 않는 것이 특징입니다.

따라서 지속적으로 부상을 입거나 외상을 일으키면 골관절염이나 장애가 생길 수 있습니다. 조직 공학은 현재 연골 조직 바이오프린팅에 폴리에틸렌과 연골 세포를 침착시켜 생물학적 요인을 분배하는 것을 고려하고 있습니다.

뼈 조직 바이오프린팅

뼈 조직은 혈관이 많이 분포되어 있고 구조적으로 복잡한 조직입니다. 골-퇴행성 및 골절은 부상 및 외상으로 이어져 골 조직 기능 장애 또는 만성 골 결손을 유발할 수 있습니다.

이러한 기능 장애와 결함은 손상된 뼈 조직을 회복하는 데 도움이 될 수 있는 뼈 재생을 필요로 합니다.

뼈 조직 공학은 하이드로겔을 활용합니다. 그러나 하이드로겔은 광물화된 뼈 기질을 형성할 수 없습니다.

따라서 뼈 조직 바이오프린팅은 조직 무결성의 제어 가능한 화학 및 형태 유지에서 더 나은 결과를 약속합니다.

바이오프린팅에 사용할 수 있는 재료는 무엇입니까?

잉크는 원하는 생화학적 특성을 가지고 있어야 지정된 패턴으로 잉크를 증착하는 데 도움이 됩니다. 왜?

바이오 잉크는 세포 외 기질 상호 작용과 세포 증식 및 성장을 촉진하기 때문입니다. 또한 잉크는 원하는 조직의 형태를 지원하기 위해 생체 적합성이어야 합니다.

심장 및 피부 조직 바이오프린팅의 경우 유사한 바이오 잉크가 필요합니다. 콜라겐, 젤라틴, 알지네이트 또는 히알루론산과 같은 천연 고분자를 선택할 수 있습니다.

합성 폴리머를 선호하는 경우 폴리 락트산-코-글리콜산, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 글리콜을 선택할 수 있습니다. 또한 합성 및 천연 생체 재료를 혼합하여 선택할 수 있습니다.

뼈 조직 바이오 잉크를 선택할 때 세포 전문화, 기능 및 세포 적합성을 고려하십시오.

젤라틴, 수산화인회석을 사용할 수 있습니다. 준비 단계를 위한 젤라틴과 인쇄된 조직 구조가 자연적인 뼈 조직을 모방하도록 돕는 수산화인회석.

마무리

3D 바이오프린팅은 우리가 알고 있는 의학의 혁명을 약속하는 도구입니다. 심장 조직 공학에서 인쇄된 뼈 조직 구조에 이르기까지 3D 프린팅은 인간 건강의 엄청난 문제에 대처하는 데 도움이 될 것입니다.

결론적으로, 심장 연조직, 혈관, 연골 조직 등에 이러한 조직 공학 응용 프로그램은 기증 대기자 명단을 처리하고 건강을 개선하는 데 도움이 될 것입니다.

우리는 빠른 시일 내에 기존의 세포 생물학에서 3차원 조직과 장기를 갖춘 첨단 의학으로 전환할 것으로 예상합니다.