3D-био принтирование. НИО (медико-биологических исследований)

1.

3D-БИО
ПРИНТИРОВАНИЕ
НИО (медико-биологических
исследований)

2.

Как метод инженерии тканей
Применение
◦ Формирование трехмерных
структур из биологических
материалов и живых клеток
послойно с контролем размещения
функциональных единиц в
пространстве
◦ в регенеративной медицине для
создания трансплантатов
необходимых тканей и органов
◦ моделирование тканей с высокими
фармакодинамическими
показателями в исследовательских
целях
◦ для разработки новых лекарств и
токсикологического анализа
02.09.2021

3.

Этапы создания тканеинженерных
конструкций
◦ Сканирование области интереса и получение изображения
◦ Выбор подхода к 3D-биопринтированию
◦ Выбор материалов для создания скаффолда
◦ Выбор источника клеточного материала
◦ Биопечать и анализ полученной конструкции
◦ Применение
02.09.2021

4.

Сканирование области
интереса и получение
детального изображения
02.09.2021

5.

Получение трехмерных анатомических изображений
Структурное проектирование
методами компьютерного и
математического моделирования
Виртуальная модель органа или ткани обрабатывается цифровыми
системами . Трёхмерная модель делится на тонкие двухмерные слои (чьи
толщина и положение в пространстве настраиваемы), которые
импортируются в буферное запоминающее устройство биопринтера.
Анатомическая и структурная информация, содержащаяся в двухмерных
моделях слоёв, снабжает биопринтер инструкциями по послойному
расположению биоматериала.
02.09.2021

6.

◦ БИОМИМИКРИЯ Изготовление идентичных копий
клеточных и внеклеточных компонентов ткани или
органа
◦ АВТОНОМНАЯ САМОСБОРКА. Использование
стратегии развития органов в эмбриогенезе как
базовой основы. Клеточные компоненты
развивающихся тканей производят свои
собственные элементы внеклеточного матрикс,
приобретают сигнальные системы, организацию и
характеристики, обуславливающие желаемую
микроархитектуру и функции.
◦ МИНИ-ТКАНИ. Наименьшие структурнофункциональные единицы тканей могут быть
объединены в конструкции оптимальным
физиологичным размещением «блоков», с
помощью «самосборки» или комбинацией двух
методов
02.09.2021
Биомимикрии
автономной
самосборке
построении тканевых
мини-блоков

7.

Методом 3D-печати тонкие слои
материала, затвердевая
последовательно, формируют слои
твердой трехмерной структуры.
Метод может использоваться для
создания композитных форм для
культивирования клеток на
трехмерных подложках-носителях,
так называемых «
», из
биологических материалов.
Материалы
Синтетические
полимеры
Натуральные полимеры
Гидрогели на основе
внеклеточного матрикса
02.09.2021

8.

Приборы для 3D-принтирования
3D-принтер ProJet 7000 MP
3D-принтер Ultimaker 2

9.

Основные критерии биологической совместимости
материалов для создания тканеинженерной конструкции
◦ отсутствие цитотоксичности;
◦ отсутствие иммунного ответа (иммунологическая совместимость);
◦ контролируемая биодеградация (время
восстановительной регенерации ткани);
деградации
должно
соответствовать
периоду
◦ поддержание адгезии, фиксации, пролиферации помещенных в (на) нее клеток, что во многом
зависит от геометрии поверхности (диаметр пор) и способности к модификации материала
каркаса биологически активными молекулами;
◦ проницаемость для водных растворов и клеток, способствующая обмену метаболитами и
нутриентами в слоях клеток, которая обеспечивается наличием взаимосвязанных пор;
◦ достаточная механическая прочность в соответствии с назначением.

10.

Полимеры, используемые для создания гидрогелей
Наименование биополимера
Источник
Альгинаты
Полисахарид из бурых морских водорослей
Коллаген
Белок внеклеточного матрикса
Желатин, денатурированные сегменты
фибриногена
Термически денатурированный коллаген. Полипептиды
Хитозан
Производное хитина (раки, крабы, креветки)
Фиброин шелка
Белок кокона
Спидроин
Белок паутины
Гиалуроновая кислота, глюкозамингликаны,
декстраны
Полисахариды
Полиэтиленгликоль
Полиспирты
Фибрин
Высокомолекулярный неглобулярный белок, образующийся
из фибриногена
Спонгин
Основной компонент скелета морских губок

11.

Выбор
источника
клеточных
популяций
Дифференцированные
клетки
Плюрипотентные
стволовые клетки
Мультипотентные
стволовые клетки
02.09.2021

12.

Струйная биопечать
Микроэкструзионная
биопечать
Лазерная биопечать
02.09.2021

13.

3D-биопринтер «Fabion»

14.

Струйная биопечать
◦ Задаваемые программой количества материала подаются на определённые области.
◦ В настоящий момент струйные биопринтеры специально приспособлены правильно хранить и
распределять биологические материалы в большем разрешении, точнее и быстрее.
◦ Термальные струйные принтеры имеют микроскопический нагревательный элемент в сопле при
прохождении электрического тока мгновенно нагревается и образует в жидкости газовые пузырьки,
которые вытесняют жидкость из сопла.
◦ Во многих струйных принтерах используется пьезоэлектрический кристалл, который создает
звуковую волну внутри головки принтера для распыления жидкости на мелкие капли с
определенной частотой.
02.09.2021

15.

Микроэкструзионная биопечать
◦ Наиболее распространенные и доступные небиологические 3D-принтеры используют
микроэкструзию. Микроэкструзионные биопринтеры обычно состоят из нагревательного
элемента, системы подачи, одного или двух предметных столиков, способных двигаться по осям x,
y и z, оптоволоконного источника света для освещения области печати и/или для фотоактивации,
видеокамеры для x-y-z команд и контроля, а также пьезоэлектрического увлажнителя.
◦ Множество материалов совместимы с микроэкструдорами, включая гидрогели, биосовместимые
полимеры и клетки-сфероиды. Наиболее распространенным методом для экструзии
биологического материала для 3D биопечати являются пневматические или механические
системы подачи.
02.09.2021

16.

Лазер-опосредованная биопечать
◦ Типичное LAB-устройство состоит из импульсного лазерного луча, фокусирующей системы,
«ленты», имеющей донор транспортного обеспечения, как правило, из стекла, покрытого лазерпоглощающим слоем (например, золото или титан) и слоем биологического материала
(например, клетками и / или гидрогелем), приготовленного в виде жидкого раствора, и
принимающего субстрата перед лентой. LAB функционирует с помощью сфокусированных
лазерных импульсов на поглощающем слое ленты для создания пузыря высокого давления,
который продвигает вперед вещества, содержащие клетки, по направлению к подложке
коллектора.
02.09.2021

17.

Биомониторинг
Анализ свойств
полученных
тканеинженерных
конструкций
02.09.2021

18.

Приборы для пробоподготовки и анализа
биоматериалов
Автоматическая высокопроизводительная
дозирующая станция Biomek 4000
Многофункциональный
анализатор Victor X5
планшетный

19.

Поверхность и форма напечатанной ткани кожи. Сравнение тканей кожи, изготовленных с помощью 3Dбиопринтинга и обычных 3D конструкций с ручным нанесением клеток. Печатные образцы кожи (а, б) сохраняют
свою форму (размеры) и поверхность, в то время как структуры, изготовленные вручную (в, г) после 7 дней
инкубации сжимаются и образуют вогнутые формы. (Гидрогель – коллаген)
,
Vivian Lee, Gurtej Singh et al. Tissue Eng Part C Methods. 2014 Jun 1; 20(6): 473–484.

20.

Применение
Дозревание
Имплантация
Тестирование in vitro
02.09.2021

21.

Спасибо за внимание!
02.09.2021