תחום הרפואה המותאמים אישית עבר טרנספורמציה על ידי שילוב של טכניקות ייצור מתקדמות, במיוחד הדפסה תלת-ממדית (3D) בין ההתפתחויות המבטיחות ביותר הוא יצירת מבנים מהונדסים - רקמות מעובדות המשלבות רשתות כלי דם פונקציונליות. אלה מבנים להתמודד עם אתגר בסיסי בהנדסת רקמות: להבטיח כי רקמות עבות או מורכבות לקבל חמצן הולם וחומרים מזינים לאחר השתלת.

הבנה של מבנים

מבנים וחילוניים מוגדרים כיצורים מהונדסים הכוללים רשת משולבת של ערוצים או כלי שיט שנועדו לשכפל את התפקיד של כלי דם טבעיים. באורגניזמים חיים, המערכת הvascular אחראית לאספקת חמצן, חומרים מזינים, וסמן מולקולות לתאים תוך הסרת פסולת מטבולית.ללא מערכת זו, רקמות ממונדסות יותר מ -200 מטר לא יכולות לשרוד מעבר לכמה שעות בגלל מגבלות של היתוך, רקמות קליניות לא רקמות.

הפיתוח של מבנים vascularized התפתח יותר משני עשורים.המאמצים הראשונים התבססו על תבניות ערוץ פשוטות שנוצרו על ידי חומרים מקריים, אבל אלה חסרים את הענף ההיררכי האופייני לvasculature Native. גישות מודרניות להשתמש בדינמיקה נוזלית חישובית מתקדמת ונתוני הדמיה כדי לעצב רשתות מטבוליות.חומרים המשמשים גם ממלא תפקיד קריטי: פיגומים חייבים להיות מוטציה סינתטית, מכנית, המסוגלת, כגון חומרים אדפטיים ורטיים, כגון חומרים מטבוליים, כגון חומרים מורכבים.

סוגים של מבנים חשמליים

מבנים מימיים יכולים להיות מסווגים על ידי שיטת היישום וההפצה המיועדת שלהם. מבנים קדם-מחדש מכילים תאים endothelial לפני שהועברו על ערוצים שנוצרו במהלך הדפסה; תאים אלה מארגנים מבנים דמויי capillary לאחר-implantation. קטגוריה נוספת היא in vivo vascularization, שבו המבנה מושתל עם microchannels אשר להנחות vasculata infilture-lined, יש שילוב של רשתות מבוזרות ארוכות-rection.

תפקיד הדפסה תלת מימדית בהנדסת Tissue Engineering

הדפסה תלת-ממדית הפכה אבן הפינה של הנדסת רקמות כי היא מציעה דיוק לא תואמים והתאמה אישית. על ידי בניית שכבת מבנים על ידי שכבה ממודלים דיגיטליים נגזר מ tomography (CT) או הדמיה חוזרת מגנטית (MRI), הדפסה תלת-ממדית יכולה לייצר פיגרעות כי בדיוק להתאים פגמים אנטומיים של המטופל.

הטכנולוגיה גם מאפשרת שילוב של חומרים מרובים בתוך בניין יחיד. עבור רקמות vascularized, זה אומר הדפסה שלד ספוג קשיח לצד הידרוגלים רכים, תאים-לאדן המכיל תאים נוסטליים.היכולת לשלוט בהתפלגות המרחבית של תאים וגורמי צמיחה היא קריטית עבור הפעלת ארגון רקמות ותפקיד.

הדפסה עם Cell-Laden Bioinks

הדפסה תלת-ממדית משתמשת ביו-inks - הוצאות של תאים חיים ב הידרוג 'דפסה הדפסה תלת-ממדית, הביו-ink לעתים קרובות כולל תאים endothelial, תאים שרירים חלק, או פרמטרים מהירים pericteteinteizing.הבחירה של bioink משפיעה על יכולת התא במהלך הדפסה ופוסט-printing התנהגות.

FDM (FDM) ו-Fiive לייזר Sintering (SLS)

מודלים של FDM (FDM) extrudes thermoplastic filaments שכבתיים על שכבה. עבור מבנים מעוקלים, FDM משמש לעתים קרובות כדי ליצור תבניות הקרביות או מבני תמיכה קשיחים. לדוגמה, סגסוגת מים סולמה באופן כללי יותר מאשר חומרים פגומים של חומצה גיאומטרית (למשל, פוליווייל אלכוהול) יכול להיות מודפס בדפוס ענף, ולאחר מכן מתמוסס חומר לייזר מוצק יותר מ-ידיים (Finters) מאפשר ל-Ricial לייזרים (D) הוא בדרך כלל מוגבל יותר מ-Ricial לייזרים).

יישומים ברפואה אישית

ההתכנסות של הדפסה תלת מימדית ורפואה אישית הביאה יישומים שמטפלים בצרכים ספציפיים של המטופל.בניות וחילוניות מפותחות להשתלת, תכנון כירורגי, בדיקות סמים, ומודלים של המחלה. בכל מקרה, היכולת להתאים את המבנה לאנטומיה של המטופל והפתולוגיה משפרת את התוצאות בהשוואה לפתרונות בגודל אחד.

גניבת עור ואשולרית עבור קורבנות

כמה כוויות נגזרות לעתים קרובות דורשות גרפטים עוריים, אבל אתרי התורם מוגבלים וריפוי יכול להיות איטי. 3D מודפס vascularated עור grafts מציעים אלטרנטיבה. graft אלה משלבים שכבת עור עם ערוצי capillary מוטבע, אפידרמיסים אישיים מפוסקים (ממים) ושכבה בוץ המכילה מלנציטים במהלך, רשת זו מייצרת במהירות תאים מימיים של סרטן קפסולתיים ובודדים (ב) עם תאים דלקתיים ודימום כרונית).

טיפול ב-Myocardial Fix

(התחסין המדויקת של הקרדיונים גורמת לאובדן בלתי הפיך של רקמת החוזה.קליים הלב - גליונות מעובדים של קרדיוציטים עם ממטריקס חוץ סלולרי תומך - ניתן להשתלת כדי לשחזר את הפונקציה.עם זאת, כתמים עבה יותר מאשר כמה מאות מיקרומטרים משופרים להפוך לחסריים ללא vasicate.

מודלים של אלכוהול עבור סמים

ערפיליות הנגרמת על ידי סמים היא גורם מרכזי של כשלים קליניים. תרבויות תאים דו-ממדיות מסורתיות לא מצליחות לשחזר את הארכיטקטורה המורכבת ואת תנאי זרימה של כליות 3D מודפסת מודלים כליות מוטבעת לספק פלטפורמה רלוונטית יותר מבחינה פיזיולוגית.מודלים אלה משלבים את תאי הדחיסה ספציפית של תאי דלקת הדם באופן דחוס יותר, עם תאים אנדוטיאליים בצד השני של דלקת מפרקים, אשר מאפשר חנקן 3D רגיל, מאפשר לנטרל את התרופה באופן מדויק יותר.

יישומים נוספים

מעבר לדוגמאות אלה, מבנים מהונדסים 3D נבדקים לתיקון העצם (שם אספקת דם קריטית עבור אוסטאוגנזיס), רקמות כבד מודל (עבור hepatitis ו מחקר מחלות מטבוליות), ו vascularized tracheal grafts. in Orthopedics, ניסוי שנעשה לאחרונה שימוש ב- 3D-rated vasated עצם מוטבע עם תאים סרטניים שנועדו לשילוב של גזע גדול של אדם.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות משמעותית, יש להתגבר על כמה מהמכשולים לפני שמבנהים מוטבעים 3D הופכים לכלים קליניים שגרתיים.אתגרים אלה משתרעים על מורכבות ביולוגית, יכולת ייצור ונתיבים רגולטוריים.

הגבלות נוכחיות

האתגר הביולוגי העיקרי הוא להחזיר את ההיררכיה הרב-ממדית של כלי הדם הטבעיים טווח מיצירות אמנות גדולות ל- capillaries, כל אחד עם תכונות מכניות נפרדות וקומפוזיציה סלולרית. 3D הדפסה יכול לייצר ערוצים עד 100 מיקרומטר, אבל רשתות capillary אמיתי (5-10 מטר) דורשות לאחר הדפסה עצמית של תאים מקצה-לימיים-a-a-reme-a-reme-reme-reshreshreme-a נשאר בתוך שטח פעיל.

סקלאלה היא בעיה נוספת.מרבית מערכות הביו-printing לייצר מבנים של כמה סנטימטרים מעוקבים; איברים שלמים ייצור ידרוש גישות חדשות.מהירות מוגבלת על ידי הצורך לשמור על יכולת התא במהלך ריצה ארוכה של הדפסה.בנוסף, החומרים המשמשים חייב להיות סטריליזה ולשמור על התכונות שלהם לאחר אחסון. הידרוגלים הנוכחיים לעתים קרובות מידרדרים מהר מדי או לאט יחסית לשיעורי שיקום רקמות.

תגובה חצבת ושילוב פולשני גם מציב אתגרים.גם עם תאים אוטולוגיים, החומר המפועעע עצמו יכול לגרום דלקת.מיקרו ערוצים עשויים קרישה או התמוטטות על השתלה אם לא תוכנן כראוי. קוצר ארוך טווח של כלי שיט מודפסים לא הוכח מעבר לכמה חודשים במחקרים בעלי חיים גדולים. סוכנויות רגלטוריות דורשות אימות נרחב של בטיחות ויעילות, ואת האופי המותאמים אישית של מבנים אלה לא הוכחומים סטנדרטיים.

טכנולוגיות מתפתחות ופעולות משותפות

החוקרים מתייחסים למגבלות הללו באמצעות חידושים במדעי החומרים, חומרה ביו-דייטינג, ומודל חישובי.לדוגמה, ביו-יינס חדשים העוברים עששת-התמדה עצמית מהירה מאפשרים פתרון גבוה יותר ללא נזק לתא. טכניקות הדפסה קואקסיאלי יכול ליצור קירות כלי שיט דו-שכבות - שכבה פנימית של תאים נוסטליים ושכבה חיצונית של תאים חלקיים - יותר מחקה עורקים מולדים.

בתחום ההדמיה והעיצוב, אלגוריתמי למידת מכונה יכולים לייעל גיאוגרפיות פולשניות כדי למזער את הלחץ של הירר ולהבטיח היתוך אחיד.כמה קבוצות חוקרות בתבנית ביוגרף ישיבה, שבו זרוע רובוטית מודפסת ישירות על משטח הפצע או האיבר, תוך חיסול הצורך בבניות טרום מעשה ידי ביצוע שיש לחברו כירורגית.גבול נוסף הוא השימוש בערוצי מיקרו-השפעה המוטבעים במגרעות כדי לספק מתחמיכות חמצן או שיפור גורמים בזמן, לפני שיפור של כוח הישרדות.

שיתוף פעולה בין רופאים, מהנדסים ומדענים רגולטוריים הוא חיוני.היווצרות של קונסורציה כמו המכון הלאומי של Bioengineering של הנדסת Tissue Engineering ו- Regenerative Medicine Program has proudly Translation by Fundized Methods ו- multi-center trial.FLT:0 ה- FDA הוציא הדרכה FLT:1 על ייצור של טיפול רפואי ספציפי לחולה, אשר עשוי לייעל את התהליך הנמוך, מותאם אישית.

חזון לעתיד

המטרה הסופית היא לייצר איברים פונקציונליים, פולשניים שיכולים להחליף את אלה הסובלים ללא צורך ברשימות המתנה התורמות. בעוד לב אנושי שלם 3D מודפס או הכליות נשאר רחוק שנים, ההתקדמות המצטברת בבניינים מעוקליים כבר משפרים את תוצאות המטופלות בטווח הקרוב, אנו צפויים לראות אימוץ קליני נרחב של גניבת עור מלוטשות עור, עצמות, ממלאי לב ומוצרים אלה שנרכשו בתוך תאים אלה.

תרופות אישיותיות ירוויחו גם משילוב של מבנים vascularized עם טכנולוגיית חיישן. החוקרים מטביעים חיישני מיקרו-scale בדפוסים כדי לפקח על pH, מתח חמצן, וסמן דלקתי בזמן אמת. משוב זה יכול להנחות טיפולים לאחר השתלת, כגון מינון סמים מותאם או שיקום פיזי. כמו טכנולוגיית הדפסה 3D מתבגרת והופך נגיש יותר, החזון של תרופות רגנרטיביות כי הוא באמת מותאמים לכל אחד מהם הוא באמת קרוב יותר למציאות קלינית.

לסיכום, מבנים מהונדסים 3D מייצגים שינוי פרדיגמה ברפואה אישית.על ידי פתרון האתגר הארוך של vascularization ברקמות מונדסות, מבנים אלה מאפשרים יצירת grafts ומודלים ספציפיים לחולה שנחשבו פעם מדע בדיוני.המשך מחקר בינתחומי, בשילוב עם מסגרות מתחשבות, תפתח את הפוטנציאל המלא שלהם, מה שהופך את הגישה שלנו לתקן רקמות, סמים, פיתוח, ובסופו של האיבר, ובסופו של דבר של טיפול כישלונות.