טכניקות הדפסה ל-Vicprints for Vascular Graft

מחלות לב וכלי דם נותרו הגורם המוביל למוות ברחבי העולם, תוך הפעלת צורך דחוף פתרונות graft vascular יעיל. בעוד grafts graftous הם תקן הזהב, זמינות מוגבלת שלהם ואת תחלואה באתר התורם כבר דחפו מחקר אינטנסיבי לתוך רקמות-מנועי מופעלת חלופות. Bioprinting התפתחה כמו טכנולוגיה טרנספורמטיבי עבור ייצור vastating vastive vastial עם שליטה מדויקת, גיאומטריה, הפצה תאים, ופרקטיקות חומרים, שיפור לאחרונה.

מאמר זה מספק בדיקה מעמיקה של טכניקות הדפסה ביו-מדעיות נוכחיות עבור ייצור vascular graft, כיסוי פלטפורמות הדפסה גדולות, חידושים חומריים, שילוב של גורמי צמיחה, מיזוג מכני, ואת הדרך לתרגום.We גם לדון אתגרים מתמיד כגון מדרגיות, סבלנות ארוכת טווח, ואינטגרציה מארחת, יחד עם כיוונים עתידיים מבטיחים.

הדחף הקליני למהנדסים וחילוניים

יותר מ-1.5 מיליון הליכים של עורקים כלי רכביים מבוצעים מדי שנה ברחבי העולם, אך graft סינתטי כמו Dacron ורחבה פוליטרה-fluoroethylene להישאר תת-אופטימי עבור יישומים קטנים (תחת 6 מ"מ) בשל thrombosis, hyperplasia intimal hyperplasia, וזיהום.Teng-sated vasgras (VG) באמצעות תאים חשמליים מורכבים, אשר אינם יכולים להיות בעלי יכולת שליטה על ידי גירוי חיצוני, ודלקתיים, עם תאים חשמליים, ודלקתיים, עם תאים פגומים (Gateicial, וזיהום.

פלטפורמות הדפסה ל-Vircular Graft

שלוש שיטות ביו-רקודות עיקריות מותאמות להנדסת רקמות פולשנית: דיוג'ט, חדירה, ותוכנית ביו-הדפסה לייזר-מרוצה-מחדשת.כל החלטה, מהירות, יכולת תאים, ויכולת לעבד גישות ביו-ביו-ביוניות גבוהה-ביקורות.

Inkjet Bioprinting

ביו הדפסה אינקוג'ט משתמשת במנהגים תרמיים או ⁇ אלקטריים כדי לזריקת טיפות פיקטורט של ביוינק על תת-קרקעית. שיטה זו מציעה מהירות גבוהה (עד 10,000 טיפות לשנייה) ורזולוציה עד 20-50 מיקרומטר, מה שהופך אותו מתאים ליצירת רכיבי טבול זעירים או רשתות capillary מצטברות.

חידושים אחרונים כוללים את השימוש במספר תאי דלקתיים דיוג'ט כדי לחקות סוגים שונים של תאים (למשל, תאים נוסטליים ותאים שרירים חלקיים) כדי לחקות את שכבת הקיר של הספינה הילידים. חוקרים באוניברסיטת UC סן דייגו הודפס בהצלחה קטע פונקציונלי של עורק כלילית באמצעות מדפסת דיוג'ט שונה, להפגין תפקוד מחסום אנדלוסיאלי ותגובות.

חידוש Bioprinting

ביו הדפסה מחדש של השימוש ב pneumatic או מכני לחץ כדי extrude filaments מתמשך של bioink דרך nozzle.טכניקה זו יכולה להתמודד עם מגוון רחב של מהירויות (מ 30 mPas כדי >107 mPas) ותומך בשימוש של הידרוגל תאים-ladengels, מיקרו-carrier, ו derated ECMs.

(הופנה מהדף ⁇ ) פותחו במקביל להדפיס הליבה של ביונק ופגז סביב, המאפשר יצירת מבנים צלולים בתוך צעד אחד.על ידי שינוי שערי זרימת הגאומטריה נושל, החוקרים יכולים לייצר כלי שיט עם טננות lumen סיכה ועובי קיר.

החיסרון העיקרי של ביו הדפסה של חדירה מופחתת של תנודתיות תאים הנגרמת על ידי מתח של Shear במהלך החדירה, במיוחד בלחץ גבוה וקוטרים ננוקלים קטנים.עם זאת, אופטימיזציה rheological של ביו-inks והשימוש במערכות ריאה נמוכות מדכא יכול לשמור על יכולת מעל 90%.

לייזר-Assisted Bioprinting

ביו הדפסה לייזר (LAB) משתמשת לייזר מופול כדי לחוסם שכבת סופג דק, יצירת דופק לחץ המונע טיפת ביובק על תת-קרקעית קבלה.גישה ללא סחרחורת זו מבטלת בעיות clogging ותשואות גבוהות של תאי תאים (לעתים קרובות > 95%) ורזולוציה מעולה (ירידה עד 20 מיקרומטר).

מכיוון LAB הוא תהליך סדרתי, הפלט שלו נמוך יותר מאשר שיטות דיוג'ט או extrusion, מה שהופך אותו פחות מעשי עבור ייצור בקנה מידה גדול.עם זאת, LAB מצטיין ביצירת מערך תאים מעוצבים ובדיוק העתקה ארכיטקטורות מיקרו-וסקולריות. חוקרים מאוניברסיטת Würzburg השתמשו LAB כדי להדפיס רשת של capillaries בתוך הפיג'לנדרוזלד כי antomos עם מודל לאחר השתלת עכברים.

גישה היברידית ורב-טכנולוגיה

שום שיטת ביו-printing יחיד יכול לענות על כל הדרישות של גרפט תפקודית פולשנית.מערכות היברידיות המשלבות חדירה למבנה רב-הרובי ו-kjet או LAB עבור תכונות בסדרות ותבניות תאים מפותחות. לדוגמה, ביו-ר בעל ארבעה ראשי הדפסה יכול להפקיד באופן קבוע סיבי פולימר סינתטי, הידרוגל תאים-מטוריביים עבור מדיה, a sacericial כדי ליצור שכבה של תאים מכניים חיוניים של צינורות מכניים.

Bioinks for Vascular Grafts: From Hydrogels to Smart Materials

ביוינק הוא ככל הנראה המרכיב הקריטי ביותר בגרפטים דו-חמצני. עליו לספק סביבה מתאימה להישרדות התא ולהפרדה, יש מספיק תכונות מכניות לעמוד בלחצים פיזיולוגיים, ולתמוך היווצרות רשת פולשנית.התקדמות בנוסחאות ביוינק הרחיבו את המרחב העיצוב באופן משמעותי.

חומרים טבעיים

סוג הקולגן I, ג'לטין, fibrin, חומצה היאלורונית, ואלג'ינאטה הם הביובקים הטבעיים הנפוצים ביותר.כל אחד יש יתרונות ייחודיים: קולגן מספק רמזים ECM הילידים להחזקה תאים; ג'לטין תומך התפשטות תאים והוא thermoreversible; fibrin הוא מאטריקסגני חזק; ואלגנטי מאפשר חיבור מהיר עבור חומרים דליקים טבעיים, לעתים קרובות יותר, עם רגישות טבעית.

(ד) ממטריקס חוץ סלולרי (DECM) ביו-ביובקים משמר אותות ביוכימיים וביופיזיקה ספציפיים של רקמות. dECM מ עורקים פוקוסניים או ורידים נובילים אנושיים יכול להיות כל כך בשפע ורפורמה לתוך ג'ל מודפס ששמר על גורמי צמיחה, קולגן, אלסטופין, וגליקונואידים אחרונים עבודה מ-Fenters:0cular-Ficialrd למעשה הציגהתאים בודדים של תאים בודדים של תאים בודדים של תאים בודדים של תאים:2DLTDLTDLCDLCDLCDGIDLCDLCDLCDLCD2DLCDGIDLCDERDGIRDGIDERDGIRD.

סינתטי ו סמי-סינתטי פולימרים

פולימרים סינתטיים כמו פוליפטרון (PCL), פולי(lactic-co-glycolic חומצה) (PLGA), ופוליאורטן מציעים תכונות מכניות טונה והשפלה מבוקרת. הם לעתים קרובות מודפסים כקקריב או חיזוק ספוג לצד הידרוג'ל תאים. לדוגמה, מחשב שהיא מודפסת סביב ג'ל-לאטנלי מספק כוח פנימי כדי להשאיר לחץ פנימי מול ECM-חום, בעודוריד-חום, תוך כדי לחץ פנימי מול הידרוג'ל-חום, תוך כדי התנגדות ל-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום-חום, תוך כדי CM-חום-חום-מרחב פנימי.

Poly(ethylene glycol) hydrogels ניתן להנדס עם ligands ביואקטיבי (למשל, RGD peptides) ו crosslinked באמצעות photopolymerization כדי להשיג שליטה מרחבית וזמני על נוקשות.פלטפורמות כאלה מאפשרות לחוקרים לחקות את הנוקשות ההדרגתית הקשורה עם הזדקנות או מחלה.

אתר אינטרנט ו- Multi-Material Bioinks

הביו-inks המתקדם ביותר משלבים מרכיבים טבעיים וסינטטיים כדי לסינרג את המאפיינים שלהם. a ג'לטין methacryloyl (GelMA) - תערובת PEG diacrylate (PEGDA) לדוגמה, מציעה את ביו-קופטיות של ג'לטין עם crosslinking ו-Fiicialness של PEG. GelMA הוא פופולרי במיוחד עבור biovascular בגלל מוטיבים-מתאים בשל מכובשים רגישים תאים.

גישה מבטיחה נוספת משלבת מיקרוגלים או ננופיבר בתוך bioinks כדי לשפר את יכולת ההדפסה וכוח מכני ללא הקרבת יכולת התא. Shear-thinning ו- self-healing hydrogels אשר לשחזר את המבנה שלהם לאחר הדפסה הם גם בפיתוח, המאפשר ייצור של גיאמטריה מורכבת כי יהיה אחרת קריסת.

תוספות פונקציונליות ומשלוח גורמי צמיחה

שילוב גורמי צמיחה אגוגניים כגון גורם צמיחה רב-לשוני (VEGF), גורם צמיחה בסיסי fibroblast (bFGF), וגורם צמיחה רב-עוצמה (PDGF) ישירות לתוך bioinks יכול להאיץ vascularization.comsicializing.cosicial exparticles או poly(lactic-co-caprol-corol-caprol) לנטרל זיהומים גדולים של vastexi-coacts.

עיצוב ה- Microarchitecture של ווסקולריות

מעבר לקומפוזיציה חומרית, האדריכלות התלת מימדית של grafts מוטבעת ביולוגית משפיעה באופן ביקורתי על הפונקציונליות שלהם.חוקרים חקרו ג'ממטות שונות, צינורות פשוטים לרשתות מעוכבות, והטמיעו תכונות כדי להנחות את התא ולשפר את התחבורה ההמונית.

בניית חומה של ה-Vssel Wall

עורקים Native מורכבים משלושה שכבות נפרדות: אינטימה טוניקה (endothelium), מדיה טוניקה (שרירים smooth), ו tunica (רקמות מחוברת) Bioprinting מאפשר את הרבייה של המבנה השכבתי הזה על ידי הדפסת תאים שונים שרירנים ואוכלוסיות תאים חלק.

צינורות הולו ומיקרו-ערוצים

ביו הדפסה מרכזית, באמצעות חומרים כמו פלואורטוני F127 או ג'לטין, מאפשר יצירת רשתות ערוצים אשר מאוחר יותר להיות מכווצים לספק חומרים מזינים וחמצן.לאחר הדפסה דפוס הקרב בתוך הידרוג גדול, החומר הוסר על ידי שינוי טמפרטורה או פירוק, משאיר מאחור סיכה מקושרת מקושרת.טכניקה זו שימשה כדי לגוון רשתות ערוץ עם קוטרים קטנים כמו μm כיפת תמיכה וסילוק.

אדריכלות היררכית בקנה מידה רב המשלבת צינורות גדולים עם microvessels סניף חיוני לחיבור גרגרים ממונדסים ממונדסים לשקע המארח.FLT:0A מחקר ציוני דרך ב (FLT:1 Nature Biomedical EngineeringFLT:2FLT:3) הוכיח מבנה מוטבע המכיל מבנה מרכזי 4 מ"מ מחובר 12 לתאים קטנים יותר, כאשר הם נשמרים על ידי תאים פגומים יותר ויותר.

כוח מכני ו Anisotropy

grafts ווסר חייב לעמוד בלחץ circumferential מחזורי, זנים ארוכי טווח, ו הלחץ Shear מזרימת דם. עורקים Native חייב את האנזוטרופיה המכנית שלהם כדי להתאים סיבי קולגן ו elastin אשר הם מפלים דפוס helical. bioprinting יכול לשחזר את זה anisotropy על ידי שליטה על אוריינטציה של שכבת extruded, לדוגמה גלימה של חיתוך כוח.

חיזוק עם סיבי אלקטרוספגון או פולימרים סינתטיים מודפסים עוד משפר את הלחץ ואת שימור הגילוח. a היברידית עם שכבת גלמה-HUEC ומיקרו-דמיון חיצוני של PCL השיג לחץ פרץ של מעל 1200 מ"מ כספית, מעל טווח האמנותי האופייני (200-Hg) מטענים מכניים כאלה יכולים להיות מטופלים באופן מיידי כירורגי, לחסל את הצורך לטווח ארוך טווח טרום-טווח.

אסטרטגיות ו Maturation אסטרטגיות

לאחר הדפסה ביולוגית, את ה-graft חייב להיות בוגר בסביבה ביומטית כדי לפתח כוח רקמות ותפקוד. bioreactors החל זרימה ריאות, מתיחה מחזורית, גירוי חשמלי להאיץ את ECM deposition ואת היישר התאי.

Pulsatile Perfusion Bioreactors

פרוזיום עם תרבות בלחץ פיזיולוגי (80-120 מ"מHg סינטורולי, 60-80 מ"מ כספית Hg diastolic) מקדם יישור תאים קצה-החללית בכיוון של זרימה, הגדלת עמידות הלחץ של הירר וצמצום של thrombogenicity. Simultanely, את האינפלציה המחזורית ואת הדה של הקיר (עד 10%) מעלה חלקיקים חלקיים של חלבונים תאים ודלקתיים של תאים דלקתיים, וסרטן, יכול לשמור על ידי תאים מכניים, 000, 000, 000, 000 לחץ דם סגור, 000, 000, 000, 000, 000, 000 לחץ דם סגור.

מתיחה דינמי ו אלקטרומיצ'ניקי Stimuli

Cyclic uniaxial או biaxial מתיחה של הגרפט במהלך התרבות עוד משפר רקמת anisotropy. בשילוב עם גירוי חשמלי (במיוחד עבור תאים חלקים שרירים), ביולוגיים יכולים להניע את הביטוי של סמנים בוגרים כגון α-smooth השריר פועלin, calponin, ואת שרשרת כבדיסטין. אלה הם חשובים במיוחד עבור תאים סטריליים, אשר נשאר חיסגוניים, אשר נשאר חיסגוניים ללא רמזים מכניים.

אסטרטגיות Endothalialization

a confluent, non-thrombogenic endothelium חיוני עבור graft patency. בעוד רואה תאים קצהothelial לתוך lumen לאחר הדפסה הוא נפוץ, בתוך situ endothlialization - שבו graft לוכדת להפיץ זרם לתוך תאים אדני קצה ישר על גבי אדניפטציה (EPCs) מן הדם - הוא חלופה אטרקטיבי כי זה נמנע שינוי vitro עם ציפוי מהיר, 000).

אתגרים ב-Scaling and Clinical Translation

למרות ההתקדמות המרשימה במחקרים מעבדה, בתרגום גרפטים דו-חמצני בעלי פרקטיקה קלינית עומדים בפני כמה מכשולים.הלחץ ביותר הם קשקשים, סטריליזציה, יציבות ארוכת טווח, ואישור רגולטורי.

סקלאלה וייצור יעילות

רוב המחקרים הביו-printing מייצרים גרגרים שהם 5-10 ס"מ באורך ו 3-6 מ"מ בקוטר. Scaling עד המושכות הנדרשות עבור עקף עורקים עוברי (עד 60 ס"מ) או גרגרי עורקים הכליליים (15–20 ס"מ) דורשים נפח הדפסה גדול יותר וזמני ייצור ארוכים יותר כי עמידות תאים ושפל ביונק.

סיקור ו-Preservation

טרמינל sterilization של חי רקמות מעובדות, קרינת gamma במינונים סטנדרטיים להרוג תאים ממאמניים.אלקטרון beam irradiation, תחמוצת אגרה, וקרינת gamma במינונים סטנדרטיים להרוג תאים ממאמניים. חלופות כגון super Critical CO2 sterilization או קוקטיילים דורשים אימות.חלקם bioprinted כי הם לפתח pedicated biofted כי יכול להיות מאוחר יותר מאוחר יותר s יכול להוסיף רק לאחר מכן רק לאחר מכן s.

שימור של grafts מוטבע לאחסון והובלת הוא אתגר נוסף. Vitrification עם Cryoprotectants מאפשר הקפאת של מבני תא-לאדן, אבל נוכחות של נפח הידרוג גדול יכול להוביל להתישת קרח ונזק. Advances in Cryopreservation באמצעות מדגמים סינתטיים קרח ושיעורי קירור מבוקרים השתפרו, אך אחסון לטווח ארוך (שנים לשנים) לא הוכח.

תגובה מוקדמת וסבלנות ארוכת טווח

גם עם תאים אוטוביוגרפיים, החומרים הספור יכולים לעורר תגובות גוף זרות. ⁇ סובסידיות, שברים פולימרים מוזנחים, ו contaminants עלולים לגרום דלקת כרונית, fibrosis, ו graft occlusion.שימוש ממטרת decellized או חומרים ביו-תואמים מאוד עוזר, אבל התגובה החיסונית לתאי Alleogenic (אם בשימוש עבור מוצרים מחוץ ל-the-She) חייב להיות עם immunoscapsivesivesives או חומרים ביולוגיים.

פטיות ארוכת טווח של גרפטציות מוטבעות במודלים בעלי חיים גדולים (שבפ, חזירים) דווחה במשך 12 חודשים, אך לא הושלמו ניסויים קליניים אנושיים. Hyperplasia ניאונטימית באתרי אנסטומטית נותרה בעיה, המונעת על ידי עמידה בסתירה בין ה- ft לבין עורקים מולדים.

כיוונים עתידיים: ביו-ינסקים חכמים, ב-Situ Printing ו- Machine Learning

ביקורת ו-Degradable Bioinks

הדור הבא של ביו-ינס יכילו את הנטיות העקרוניות שמשנות נוקשות, מחלחל בתגובה לפעילות האנזימטית, או ישחררו סוכנים טיפוליים על הביקוש. "מדמים ביולוגיים" שבו המבנה המודפס משתנה צורה לאורך זמן בתגובה לחום, pH, או רמזים אנזומטיים יכולים לייצר צינורות עצמיים או מבנים אוטונומיים על מנת לפשט את הגמישות.

ב-Situ Bioprinting

ביו-הדפסים מעוגלים ישירות על אתר הפצע או פגם פולשני נמצאים תחת פיתוח. גישה זו עלולה לחסל את הצורך ב- pre-fabricated grafts ולאפשר עובש מותאם אישית לאנטומיה של המטופל. עבור יישומים פולשניים, בתבנית ישיבה הדפסה של צינור קטן-דממה על כלי דימום יכול לשמש כאיטום או conduit ראשוני במחקרים ראשוניים בפוד הראות, אך השגת יכולת ניתוחית מספקת.

AI ו- Machine Learning ב- Bioprinting

אלגוריתמי למידת מכונות מוחלים על אופטימיזציה של ניסוחים ביוינק, פרמטרים מודפסים, ותנאי תרבות.על ידי אימון על נתונים גדולים של תוצאות הדפסה, מודלים יכולים לחזות את המהירות האופטימלית, לחץ, טמפרטורה עבור bioink נתון, או חיזוי התא viability בהתבסס על פרופילי הלחץ של Shear. אלגוריתמי עיצוב ייצור יכול גם להציע ftries גיאוגרפיה ממקסימה את הדינמיקה וסיום של מחזור תאים אנדלוסימינליים יעיל של פעילות AI.

מסקנה

Bioprinting כבר התבגרה מטכנולוגיית הוכחת-of-תפיסת לתוך פלטפורמה תכליתית עבור ייצור graftsvascular כי recapitulateulateת רקמות Native רקמות. Advances in multi-חומר הדפסה, כימיה ביובק, ו bioreactorמיזוג יצרו גרציות כי להשיג תכונות מכניות ספציפיות תמיכה השמדה פונקציונלית של הגוף.למרות אתגרים מצטיינים בדרגות, סימולציה, ומיזוג ארוך טווח של מחלות עצביות, אשר משלבת זמן רב יותר, עם מחזור חיים רציונלית של מחזור חיים של מחזור חיים של כלי דם אוטומטיים, ותגובה קלינית, ותגובה, תוך כדי שיפור תופעות לוואי של מחזור חיים רציונלית, שילוב של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים רציונלית של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של מחזור חיים של כלי דם אוטומטיים.

בעוד טכניקות הדפסה ביולוגית ממשיכות לשפר, שיתוף פעולה בין-תחומי בין חומרים, מדענים, ביולוגים, מהנדסים ומרפאות יהיה חיוני להתגבר על המחסומים הנותרים.עם השקעות מתמשכת וראייה רגולטורית, גרציות vascular מוטבע יכול להפוך לטיפול סטנדרטי למחלות לב וכלי דם, צמצום התלות על אסתטיקה סינתטית ורקמות התורמות, ובסופו של דבר שיפור התוצאות עבור מיליוני חולים ברחבי העולם.