מבוא

נזק קרטלאז משפיע על מיליוני אנשים ברחבי העולם.אוסטאוארטיס לבד משפיע על יותר מ-500 מיליון אנשים ברחבי העולם, ופציעות משותפות מספורט, תאונות, והזדקנות להוסיף לנטל זה.בניגוד לרקמות רבות אחרות בגוף, לטרחוס יש יכולת מוגבלת מאוד עבור כאבי גב עצמי. לאחר שנפגע, זה מוביל לעתים קרובות לכאב כרוני, מופחת, איכות מופחתת של חיים מסורתיים טווח טיפול פיזיקלורי, טיפול, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, כמו טיפול תרופתי, לא יכול לשחזר את המולקולות המקוריות, כמו טיפול, טיפול, טיפול, טיפול תרופתי, טיפול כירורגית, טיפול תרופתי, כמו גם טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, כמו גם טיפול תרופתי, לא יכול לספק טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, כמו גם כן, כמו גם טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול כירורגית, לא יכול לשחזר, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, לא יכול לשחזר את המולקולות טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, לא יכול לשחזר את המולקולות טיפול תרופתי, לא יכול לשחזר את המולקולות טיפול פסיכולוגי, טיפול תרופתי, כמו גם טיפול תרופתי, לא יכול לשחזר את המולקולות טיפול תרופתיות, טיפול

בשנים האחרונות, ⁇ :0.3D bioprintingFLT:1 ⁇ התפתחה כגישה טרנספורמטיבית ברפואה רגנרטיבית, המציעה מסלול פוטנציאלי לייצור רקמת מחוסנים חיה שיכולה להשתלב עם הגוף ולשחזר את הפונקציה המשותפת. על ידי להפקיד שכבות של bioinks תא-ladenks בגיאמטמות מדויקות, 3Dprinting מאפשר יצירת רקמת בנייה כי לחקות את הארכיטקטורה המורכבת של דלקת מפרקים לאסון.

השדה, עם זאת, עדיין בשלבים המוקדמים שלו.אתגרים מדעיים והנדסה משמעותיים נשארים לפני שחוספס ביו-מוטבע הופך לאופציה קלינית שגרתית.באותו זמן, התקדמות מהירה ביו-חומרים, ביולוגיה תאי גזע וייצור תוספים פותחים דלתות חדשות.

מה זה 3D Bioprinting of Cartilage?

ביו הדפסה 3D היא תהליך ייצור תוספת המשתמשת בהגדרה מבוקרת של ביו-חרקים כדי ליצור מבנה תלת-ממדי של רקמות.בניגוד הדפסה 3D קונבנציונלית, אשר משתמשת בפלסטיק או מתכות, ביו-דייטינג משתמש בחומרים התומכים בתאים חיים.התהליך מתחיל בדרך כלל עם נתוני הדמיה רפואית, כגון MRI או CT, אשר משמשים לייצור מודל דיגיטלי של פגם או צורה הרצויה.

בגליון קלוש (Cretage bioprinting), המטרה היא לייצר רקמות שמשכפלות את האדריכלות (FLT:0zonal ArchitectureFLT:1 של cartilage articular articular cartilage) של cartilage הוא לא אחיד; יש לו אזורי שטח, ביניים ועמוק, כל אחד עם ריצוף תאים שונים, נטיות קולגן, ותכנים מבניים אלה הם קריטיים עבור עומס טבעי, המאפשרים וכושר בקרה מרחבית, המאפשרת, המאפשרת על פני תאים שונים, המאפשרת באופן הדוק, המאפשרת, המאפשרת, המאפשרת, המאפשרת באופן מעמיק, אשר מאפשר בקרת תאים מרחביים, המאפשרת, אשר מאפשר בקרת תאים שונים, אשר מאפשר בקרת תאים שונים, המאפשרת, באופן מעמיק, המאפשרת באופן מעמיק, המאפשרת, באופן מעמיק, באופן מעמיק, המאפשרת, המאפשרת באופן מעמיק, המאפשרת, באופן מעמיק, באופן מעמיק, המאפשרת, המאפשרת שליטה על פני שטחית על פני שטחית, המאפשרת על פני שטחית, המאפשרת, המאפשרת, המאפשרת על פני שטחית, המאפשרת, המאפשרת, המאפשרת איכות שטחית, המאפשרת שליטה על פני שטחית, המאפשרת שליטה על פני שטחית, המאפשרת שליטה שטחית, המאפשרת

הביוינק המשמש ב- cartilage bioprinting בדרך כלל מכיל chondrocytes או chondrogenic progenitor תאים מושעה ב- hydrogels כגון alginate, ג'לטין methacryloyl (GelMA), חומצה היאלורונית ישירות, ופוליאתילן גליקול (G) משמשים בדרך כלל כי הם מספקים סביבה מיושנת, כגון זיהומים מכניים, כגון, לחץ דם, תכונות מכניים, כגון, לחץ דם קריטי, כמו גם תכונות תאים.

ביולוגיה ייחודית של קרטלאז' Tissue

כדי להעריך את האתגרים של אימוני ביו-printing, זה עוזר להבין מדוע רקמת זו כל כך קשה לתקן. articular cartilage הוא avascular, כלומר אין כלי דם.זה מקבל חומרים מזינים וחמצן רק באמצעות דיפוזיה מן נוזל הסימביאלי.זה טבע avascular הוא חרב כפולה, אך גם לא מסוגל להגביל את הפעילות המטבולית של רקמות, אלא גם לבנות את הרקמות של דם מוגבל, אך אינו מסוגל לשרוד את הפשטות, אך לא מוגבל, אלא גם לפשטות, אך לא יכול להיות בעל יכולת הדם.

קרטלאז הוא גם נוירוניאל (עצבים חסרים), כלומר נזק קלוש לעתים קרובות הולך unnoticed עד העצם הבסיסית הופך מעורב.מצגת מאוחרת זו יכולה לסבך טיפול.המטריקס הנוסף (ECM) של cartilage מורכב בעיקר מטיפוס קולגן II ו aggrecan, פרוגניקטן גדול כי מלכודות מים ומספק התנגדות דחוסה, תאים CMarthritis, אך יש עלייה של דלקת מפרקים מתקדמת, אבל יש רמות דלקת מפרקים מתקדמות.

ישנם שלושה סוגים של קלחוס בגוף: hyaline cartilage (בפרקים), fibrocartilage (הנמצא בדיסקים בין-תחומיים ו- Menisci), ו- גמיש (הנמצא באוזן ואפילטיס) רוב המחקרים ב- bioprinting יש להתמקד מספיק ב- hyaline cartilage בגלל החשיבות שלה בתפקוד משותף 80%.

אתגרים נוכחיים ב-Cartilage Bioprinting

יעילות תאים ו- Bioink Formulation

שמירה על יכולת גבוהה של תאים במהלך ואחרי תהליך ההדפסה היא אחד המכשולים המתמשכים ביותר.תהליך ההדפסה עצמו יכול לפגוע תאים באמצעות לחץ על-ידי גילוח, כריתת מטושטשת, וחשיפה לסוכני crosslinking.אפילו עם פרמטרים הדפסה מותאמים ביותר, יכולת התא לעתים קרובות טיפות עד 70-85%, אשר מקובל על כמה יישומים אבל תת-אופטימיים לתרגום קליני.

ניסוח ביוינק דורש איזון דרישות היברידיות מרובות.חומר חייב להיות ביו-אי-תואמים, תמיכה בקובץ התא והפצתו, ולספק יושרה מכנית מספקת כדי להחזיק את הצורה המודפסת.זה חייב גם להיות תכונות היממה ומולסטיות מתאימות עבור extrusion חלק, והוא חייב לשלב במהירות מספיק כדי לשמור על נאמנות בין שכבות.

אתגר נוסף הוא ה- 0. ⁇ oxygen ו- ⁇ FLT תזונתי 1 בתוך מבנים עבים. Cartilage bioprints עבה יותר מכמה מאות מיקרומטרים לעתים קרובות לפתח הליבה רשלנית כי תאים במרכז הם כוכבים של שתלים חמצן וחומרים מזינים.מגבלה זו מורכבת על ידי טבע פולשני של cartilage, אשר אומר כי חייב לבנות לחלוטין על דיפונקציה או להתגבר על צינורות מתכתיים אלה, או כדי להתגבר על צינורות מתכת, או כדי להתגבר על צינורות חומרים.

מגבלות מכניות וחיצוניות

cartilage Articular הוא נתון לטעון אופניים, כוחות Shear, ולחצים דחוסים גבוהים במהלך פעילויות יומיומיות. מבנים מודפסים חייב להתאים את המאפיינים המכניים של רקמת Native לתפקד כראוי ולהימנע להיכשל. רוב הידרוגלס, עם זאת, הם חלשים מכנית מאוד.המודולויים הדחיסים שלהם הוא בדרך כלל סדר גודל נמוך יותר מאשר זה של cartilage Native. Reinfoing אסטרטגיות כגון ננופיבר, באמצעות כפול, באמצעות גלימות, הם בדרך כלל דחוסים או להיות נחקרים על ידי פחמן דו-מדומים, 000.

נאמנות סטרקטיבית היא דאגה נוספת.במהלך הדפסה, ביו-ינקס יכול לחבל, להתפשט או לקריסה תחת משקלם, במיוחד עבור מבנים גדולים או overhanging.זה מגביל את המורכבות של גיאוגרפיות שניתן להדפיס. תומך אמבטיות או חומרים מקודשים יכול לעזור, אבל הם מוסיפים מורכבות לתהליך.פוסט הדפסה או הזדווגציה ביולוגי יכול לשפר את התכונות המכאניות, אבל הם מוסיפים את זמן הייצור.

אינטגרציה עם Host Tissue

גם אם מבנה ביו-מוטבע יש תכונות מכניות וביולוגיה מצוינות, זה חייב להשתלב עם הרקמה הילידים שמסביב לתפקד בגוף.אינטגרציה מתרחשת באמצעות שני מנגנונים עיקריים: שילוב מכני בממשק שתל-עושן והקשר הביולוגי באמצעות ECM deposition וגירדת תאים.בפרקטיקה, שני התהליכים הם איטיים ולעתים קרובות לא שלמים.

אתגר קשור הוא ה- 0 (FLT:0) הפנים בין cartilage ו-עצמות העצםFLT:1 (בפרק, cartilage מעוגן העצם subchondral דרך שכבת קדמית הידועה בשם ה-Galmark.ממשק הזה הוא קריטי להעברת עומס ויציבות מכנית.תבנית ביו-כיטאוסטכונדרית הכוללת גם שכבות קלושות ועצמות, עם קידוד של תכונות של ממשק ארוך טווח, הוא עדיין חלקן בין אינטגרציה קשה.

סיקור וייצור הארדלס

להביא מוצר ביו-מוטבע לשיווק דורש ניווט נוף רגולטורי מורכב. בארצות הברית, ה- FDA מסדיר רקמות ביו-מוטבעות כמו מוצרים שילובים שעשויים לכלול תאים, ביו-חומרים, ומכשירי ייצור.נתיב הרגולטור יכול להיות ארוך ויקר, עם דרישות לבדיקות קליניות, ניהול ייצור טוב (GMP) תאימות, וניסויים קליניים כדי להפגין בטיחות ויעילות באירופה, דרישות דומות לתקנה רפואית (M) תחת תנאי טיפול רפואי מתקדם (MD) ו-GMPnal).

ייצור סקאלה הוא מכשול נוסף. Bioprinting הוא כיום תהליך איטי, עבודה-אינסטנסיבי.דפסת בניין יחיד יכול לקחת שעות, והיקף כרכים קליניים דורש מקבילה, אוטומציה ומערכות בקרת איכות שעדיין בפיתוח. Sterility, התחדשות, וקביעות אצווה-to-batchency הם כל החששות שיש לטפל בהם לפני אימון ביו-מוטבע ניתן לפרוס בקנה מידה.

אפשרויות וBreakthrough

הבאGeneration Bioinks

פיתוח ביוינק הוא אחד האזורים הדינמיים ביותר של מחקר ביו-רייטינגיילציה. דור חדש של ביו-יינס חכמים נועד להגיב לרמזים סביבתיים כגון טמפרטורה, pH, או פעילות אנזומטית.חומרים אלה יכולים לעבור מעברים של שלב או לשחרר גורמי צמיחה בתגובה לתנאים ספציפיים, מתן שליטה זמנית על התנהגות תאים.

(FLT:0)Nanomaterial-reinforceed bioinksFLT 1 הם עוד כיוון מבטיח.הוספת חלקיקים כגון hydroxyapatite, silica, גרפן oxide, או ננוקריסטלים צלולוז הידרוגלים יכול לשפר באופן משמעותי כוח מכני, הדפסה, bioactivity אלה יכולים לשמש גם כמו נשאים עבור צמיחה או חומרים, המאפשרים לתפקוד של חלקיקים לא מתאים כדי להבטיח את הזמן.

ממטריקס חוץ סלולרי (dECM) bioinks צובר תשומת לב כי הם שומרים את הרמזים הביוכימיים והמבניים של cartilage cartilage רקמת עיבוד להסרת תאים תוך שמירה על ECM, החוקרים יכולים ליצור ביוכינים כי מחקים מקרוב את המיקרו-סביבון הטבעי של מחקרים הראו כי dECMinks לקדם chongeniciation שונה וייצור ECM ביעילות יותר מאשר חומרים הידרוגנציה, אך ורקמות, עדיין.

עבור מבט מעמיק יותר על חידושים אחרונים בנוסחאות ביוינק, סקירה שפורסמה ב-FLT:0Biomaterials ScienceFLT:1 מספק סקירה מקיפה של ההתפתחויות האחרונות ביו-inks מבוסס הידרוגל עבור הנדסה רקמת פחמימות (איור:2RSC PublishingFLT 3:).

הנדסה של תאים שונים

תאים Stem מציעים מקור תאים מדרגי ורב צדדי עבור bioprinting. mesenchymal תאי גזע (MSCs) נגזר מח העצם, adipose רקמת, או סינביום הם הנפוצים ביותר. MSCs ניתן להרחיב בתרבות ומבדיל לתוך chondrocytes באמצעות גורמי צמיחה כגון TGF-β ו BMP. in plducedent תאים (C) הם למעשה פוטנציאל אחר, לספק תאים אחרים.

היכולת להנחות את הגוון של תאי גזע בתוך מבנה ביו-מוטבע הוא תחום קריטי של מחקר. גורמי צמיחה יכולים להיות משולבים לתוך הביוינק בנוסחאות השחרור מבוקרות, או שהם יכולים להיות מועברים דרך המדיום התרבותי במהלך ההבשלה הביולוגית. חלק מהמחקרים השתמשו בעריכה גנים או מולקולות קטנות כדי לכוון שונות יותר במדויק.המטרה היא להשיג phenotype chongenic יציב ללא הסיכון של היפרטרופיה או דמנציה, אשר הם בעיות הנדסיות נפוצות.

(FLT:0) מערכות תרבות CLC (FLT:1) המשלבות MSCs עם chondrocytes או סוגים אחרים תאים תומכים הם גם נחקרים.נוכחות של צ'ונדרציטים יכול לספק אותות paracrine אשר משפרים את MSC שונה וייצור ECM. Co-תרבות יכול גם לשפר את היווצרות של אדריכלות דוננטלית, כמו אוכלוסיות תאים שונים ניתן להפקיד בשכבות נפרדות במהלך הדפסה נפרדת במהלך השכבות.

Bioreactors for Tissue Maturation

לאחר הדפסה, את המבנה חייב להיות תרבותי כדי לאפשר תאים לפרו-חיים, להבדיל, לייצר ECM. שלב ההזדווגות הזה הוא קריטי לפיתוח שלמות מכנית ופונקציונליות ביולוגית. ביופרקטורים לספק סביבה מבוקרת עבור תהליך זה, אספקת חומרים מזינים, הסרת פסולת, ואספקת גירוי מכני המחקה טעינה משותפת.

(ב) ישנם סוגים של ביולוגיים המשמשים לרישום ביו-הנדסה (FLT:0Perfusion bioreactorsFLT:1) להפיץ את מדיום התרבות באמצעות הבנייה, שיפור תחבורה המונית ולמנוע היווצרות של ליבות ערפיליות.FLT:2Compression bioreas FLT 3: 3 החל טעינה מחזורית על הבנייה, אשר הוכח כדי לשפר את היווצרותן של ליבת תאים אחידים ו-igergergergergergergergic.

הפיתוח של ההרחבה:0 (Bivoreactor מבוסס בקרת איכות (FLT) 1:1 הוא צעד חשוב לקראת תרגום קליני.על ידי ניטור פרמטרים כגון צריכת חמצן, pH ונוקשות מכנית בזמן אמת, יצרנים יכולים להבטיח שכל בניין עומד במפרט מוגדר מראש לפני השתלה. גישה זו גם מאפשרת פרוטוקולים תרבותיים הסתגלותיים שניתן להתאים בהתאם לתגובה של המבנה.

לקריאה נוספת על תפקידו של ביולוגיים בהנדסת רקמות, סקירה מקיפה ב Frontiers in Bioengineering and Biotechnologyph 1] מכסה את עיצובי הביולוגי האחרונים ואת היישום שלהם להתחדשות טרחוס (FLT:2FrontiersFLT 3: 3).

שתלים אישיים ומטופלים-Specific Implants

אחת האפשרויות המשכנעות ביותר ב-Cyחוס ביו-printing היא היכולת ליצור שתלים ספציפיים לחולה.שימוש בנתונים הדמיה רפואית, מנתח יכול לעצב מבנה שמתאים בדיוק לגודל, צורה ועומק של פגם החוספס.גישה אישית זו יש פוטנציאל לשפר את ההתאמה, להפחית סיבוכים כירורגיים ולשפר תוצאות לטווח ארוך.

התקדמות ב-FLT:0 [המודלים של ה-FLT:2] עיצוב חדשני של ההרחבה 3 מאפשרת לייעל את הגיאומטריה ואת ההפצה החומרית של כל מטופל.אנליזה אלמנטנית יכולה לחזות כיצד השתל יבצע תחת טעינה פיזיולוגית, המאפשר למעצבים לחזק אזורים של לחץ גבוה או להתאים את הנפיחות כדי להתאים את הסביבה המארחת.

ההתאמה משתרעת גם לרמה הביולוגית.ניתן לקצור תאים ממריצים של המטופל, להרחיב ולהודפס לתוך השתל, תוך חיסול הסיכון לדחייה חיסונית.בעוד גישה זו מוסיפה זמן ועלויות לתהליך, היא מציעה את הסיכוי הטוב ביותר לשילוב ארוך טווח. מקורות תא אלוגניים, כגון MSCs, לספק אלטרנטיבה פחות אישית אך נית יותר שיכולה להיות מתאימה לאוכלוסיות מסוימות.

תרגום קליני ודרכים מסחריות

כמה חברות וקבוצות אקדמיות פועלות באופן פעיל להביא מוצרים מחוסנים ביו-מוטבעים לקליניקה. Fleet BioprocessingFLT:1 וארגונים אחרים המתמקדים ברפואה רגנרטיבית משקיעים בפלטפורמות ביו-רכש שיכולות לייצר מבניות של פחמימות בקנה מידה. ניסויים קליניים בשלבים מוקדמים הוכיחו את הבטיחות והכדאיות של טיפול ביו-מוטבע במספרים קטנים של חולים, אך הם נדרשים לאשר ניסויים יעילים גדולים יותר.

המסלול הרגולטורי למוצרים אלה עדיין מוגדר. בארצות הברית, ה- FDA פרסם מסמכי הדרכה למוצרים מעובדים רקמות, אך דרישות ספציפיות עבור מבנים מוטבעת ביולוגית מתפתחות. Agencies כגון האגודה הבינלאומית ל- Cell & Gene Therapy (ISCT) והחברה האמריקנית לבדיקת חומרים (ASTM) פועלים על סטנדרטים עבור חומרים ותהליכים ביולוגיים.

הגדלת הגישה לשוק הן שיקולים נוספים.שתלי ההשתלות של ביו מודפסים יהיו יקרים, לפחות בהתחלה.מחיש יתרונות קליניים ברורים ויעילות מחירים בהשוואה לטיפולים קיימים יהיה צורך לאבטח כיסוי מגורמים ומערכות בריאות. ראיות בעולם האמיתי וצעדים מדווחים לחולה ישחקו תפקיד חשוב בקביעת תיק הבנייה.

סקירה מפורטת של צינור הפיתוח הקליני עבור טיפול ביו-מוטבע, ה-FLT:0Stem Cells Translational MedicineFLT:1 כתב העת פרסם עדכון על ניסויים שוטפים ואסטרטגיות רגולטוריות (איור:2Oxford Academicigph 3).

מסקנה

הדפסה ביולוגית תלת מימדית של cartilage עומדת על הצומת של ביולוגיה, חומרים מדע, וייצור תוספים.הפוטנציאל לשחזר תפקוד משותף להקל על כאב עבור מיליוני חולים הוא עצום.עם זאת, הנתיב מספסל מעבדה ועד מיטת השינה דורש.אתגרים ב viability תא, מכניקת ביונק, שילוב מארח, וציות רגולטוריות הם משמעותיים ודורשים חדשנות מתמשכת ושיתוף פעולה.

במקביל, קצב ההתקדמות הוא מאיץ.התקדמות בעיצוב ביוינק, הנדסה תאי גזע, טכנולוגיית ביולוגי, ורפואה אישית מתפתלים בהתמדה במכשולים.עם המשך השקעה ומחקר, טיפולים עתיריים מוטבעת ביולוגית צפויים לנוע מניסיוני למציאות קלינית בעשור הבא.