Imaginati-va sa aveti abilitatea de a fabrica organe si tesuturi la cerere, reducand cu ani de zile timpul de asteptare a multor pacienti ce au nevoie de un transplant. Sau o lume in care masinile pot crea instant o varietate de materiale care sa fie utilizate pentru a simplifica testari de siguranta si eficienta, economisind astfel milioane de dolari pentru cercetare si dezvoltare si reducand nevoia de a face experiente pe animale sau oameni.
Desi ar putea parea un scenariu desprins dintr-un film SF, acesta este viitorul catre care ne indreptam, datorita inovatiilor din domeniul bioprintarii.
Bioprintarea 3D executa un proces similar celui de printare 3D traditionala – in care obiectele fizice 3D sunt create dintr-un model digital, strat cu strat – doar ca in schimb sunt utilizate suspensii de celule vii. Acest lucru necesita conditii de printare foarte sterile pentru a mentine viabilitatea celulelor si o rezolutie mare de printare pentru a pozitiona celulele in mod precis, conform design-ului si distantei corecte dintre celule. Pentru a replica tesuturi complexe, este nevoie sa fie printate tipuri multiple de celule simultan.
Tehnicile stiintifice ale bioprintarii au fost investigate in ultimii 15 ani, cercetatorii explorand dispozitive ce pot depune straturi peste straturi pentru a crea o constructie finala tri-dimensionala, iar comercializarea acestei tehnologii a inceput cu aproximativ 10 ani in urma.
Procesul de baza al printarii 3D poate fi impartit in patru pasi: pregatire, printare, maturare si aplicare. Utilizatorii trebuie sa realizeze o imagistica 3D pentru a construi design-ul dorit, importarea modelului in bioprinter, adaugarea celulelor pe schela, apoi urmand testarea si implementarea.
Printre descoperirile din domeniu se numara primul material biologic printat in 1987, prima printare prin extrudare de celule in 2002 si prima printare de celule bazata pe laser in 2004. O serie de experimente incununate de succes pe animale au urmat in 2016, cand cercetatorii au replicat tesut hepatic de la soareci si vase de sange de la maimute rhesus.
Desi aceasta tehnologie ofera o varietate de oportunitati pentru industria produselor de consum si pentru cercetarea si dezvoltarea produselor farmaceutice, exista totusi cateva obstacole care trebuie depasite inainte ca aceste aplicatii sa se poata transforma in afaceri de miliarde de dolari.
Iata cateva dintre aceste obstacole:
Alegerea materialului potrivit
Principalele patru tehnici asociate cu bioprintarea standard sunt: inkjet, extruziune, transfer indus prin laser (laser induced forward transfer – LIFT) si microvalva.
Inkjet ofera viteze mari de dispersie, rezolutie mare de printare si poate sustine aplicatii ce implica proiectii prin distribuire de mare viteza a picaturilor. Slabiciunea acestei tehnici include un timp mare de constructie, infundarea duzelor si vascozitati limitate ce pot dauna celulelor.
Extruziunea este caracterizata de costuri mici, timp scurt de constructie si simplitate in realizarea proceselor. Aceste caracteristici pot ajuta in cazul printarii de constructii medicale mari, intr-o perioada scurta de timp.
Transferul indus prin laser are puncte forte similare cu cele ale tehnicii inkjet, cu viteze mari de dispersie si rezolutii mari de printare, avand si abilitatea de a produce materiale cu vascozitate mare. Cu toate acestea, are cel mai scump si consumator de timp proces de utilizare.
Microvalva este cea mai noua tehnica folosita in domeniu, neavand puncte slabe semnificative. Nu este costisitoare si este compatibila cu materialele de vascozitate mare, insa tehnica nu se afla pe piata in acest moment.
Tehnica extruziunii si inkjet sunt cele mai dezvoltate tehnologii, insa transferul indus prin laser este considerat a fi cea mai buna tehnica. Totusi, bioprinterele cu microvalva sunt considerate a creste in popularitate in viitor.
Aplicatiile pe piata
Industriile medicale de cercetare si dezvoltare sunt domeniile in care bioprintarea 3D este dominanta. Constructia de tesuturi asemanatoare celor umane (atat ca forma, cat si ca functii) a permis o mai buna intelegere a proceselor biologice. Un domeniu in care aceasta tehnologie a avut un impact rasunator a fost eliminarea testarii pe animale in industria cosmetica si a bunurilor de consum.
Cu toate acestea, domeniul medical este cel in care tesuturile sintetice ar putea avea un impact puternic, in special in ramura medicinii personalizate si medicinii regenerative.
Oamenii de stiinta ar putea folosi aceste tesuturi pentru a afla raspunsul unui pacient specific la un anumit medicament, ceea ce ar putea oferi de asemenea flexibilitate in determinarea dozajului optim. In plus, acestea ar putea elimina nevoia biopsiilor.
In ceea ce priveste medicina regenerativa, pielea si structurile de cartilaje au cel mai mare potential. Aceste componente biologice nu se pot vindeca singure cu usurinta din cauza lipsei de alimentare cu sange, asadar cele sintetice sunt cele mai bune optiuni disponibile pentru multi pacienti. Acestea pot varia de la implanturi metalice pana la oase si articulatii.
Cu toate acestea, componentele sintetice pot avea dezavantajul uzurii suprafetelor implanturilor, precum si degradarii performantei mecanice in timp.
Chirurgii pot folosi aceste tehnologii de ultima generatie pentru a reduce timpul pe care pacientii il petrec pe masa de operatie, in acelasi timp oferind si chirurgilor mai mult control asupra repararii tesutului.
Cercetatorii ar putea de asemenea sa produca dinti inlocuitori, care sa aiba exact aceeasi forma ca si cei de dinaninte, sa foloseasca diverse tipuri relevante de celule pentru a imita structura 3D complexa a pielii pentru a grabi vindecarea si a imbunatati rezultatele. De asemenea, se pot realiza chiar si structuri mici din sistemul vascular al corpului, precum o valva a inimii.
Provocari viitoare
Cercetatorii si antreprenorii inca mai au cateva obstacole de trecut, inainte ca acest domeniu sa se dezvolte la adevaratul potential.
Din punct de vedere tehnic, exista o cerinta tot mai mare ca instrumentele actionate cu ajutorul computerului sa ofere un anumit nivel de precizie care sa permita plasarea controlata a celulelor individuale.
De asemenea, printarea de solutii cu vascozitate mare are implicatii asupra densitatii si structurii mecanice a celulelor, asa ca inginerii trebuie sa gaseasca suport structural care nu este in acest moment disponibil in tehnologiile 3D. In plus, trebuie gasita o modalitate de a crea structuri relevante din punct de vedere medical intr-un interval de timp rezonabil.
Fabricarea unui organ intreg nu se poate realiza inca si se poate considera ca va mai dura cel putin 10 ani de cercetari pana a se gasi metode viabile. Cu toate acestea, s-au realizat tesuturi care au ajutat in refacerea functiilor unui organ. Alte obstacole ce pot fi intalnite includ gasirea unei metode eficiente din punct de vedere al costurilor, pentru a asigura cresterea si transformarea celulelor in tesuturi.
Ritmul de perfectare a acestor tehnici creeaza un cadru ce poate creste valoarea pietei de bioprintare de tesuturi la aproximativ 1,4 milioane de dolari pana in 2027.