3D 바이오프린팅 기술의 주요 발전으로 '실제' 생물학적 구조를 구성하기 위해 세포와 조직이 자연 환경에서 행동하는 것처럼 만들어졌습니다.
3D 프린팅은 컴퓨터의 디지털 제어 하에 재료를 함께 추가하여 결합하거나 응고시켜 1987차원 물체 또는 개체를 만드는 절차입니다. Rapid Prototyping 및 Additive Manufacturing은 재료를 레이어링하고 점진적으로 구축하여 복잡한 객체 또는 개체를 생성하는 이 기술을 설명하는 데 사용되는 다른 용어입니다. 또는 단순히 '적층' 방법입니다. 이 놀라운 기술은 XNUMX년에 공식적으로 발견된 후 XNUMX년 동안 존재해 왔지만, 최근에 와서야 프로토타입을 만드는 수단이 아니라 본격적인 기능 구성 요소를 제공하는 것으로 각광과 인기를 얻게 되었습니다. 이러한 가능성의 가능성은 3D 현재 엔지니어링, 제조 및 의학을 포함한 많은 영역에서 주요 혁신을 주도하고 있음을 인쇄합니다.
최종 최종 결과를 얻기 위해 동일한 단계를 따르는 다양한 유형의 적층 제조 방법을 사용할 수 있습니다. 첫 번째 중요한 단계에서는 디지털 청사진이라고 하는 컴퓨터에서 CAD(Computer-Aided-Design) 소프트웨어를 사용하여 디자인을 만듭니다. 이 소프트웨어는 최종 구조가 어떻게 바뀌고 작동할지 예측할 수 있으므로 이 첫 번째 단계는 좋은 결과를 위해 매우 중요합니다. 그런 다음 이 CAD 설계는 3D 프린터가 설계 지침을 해석하는 데 필요한 기술 형식(.stl 파일 또는 표준 테셀레이션 언어라고 함)으로 변환됩니다. 다음으로, 실제 인쇄를 위해 3D 프린터를 설정해야 합니다(일반, 가정 또는 사무실 2D 프린터와 유사). 여기에는 크기 및 방향 구성, 가로 또는 세로 인쇄 선택, 올바른 파우더로 프린터 카트리지 채우기 등이 포함됩니다. . 그만큼 3D 프린터 그런 다음 인쇄 프로세스를 시작하여 한 번에 재료의 미세한 층을 점차적으로 디자인합니다. 이 레이어는 일반적으로 두께가 약 0.1mm이지만 인쇄되는 특정 개체에 맞게 사용자 지정할 수 있습니다. 전체 절차는 대부분 자동화되어 물리적 개입이 필요하지 않으며 올바른 기능을 보장하기 위한 주기적인 점검만 필요합니다. 특정 개체는 디자인의 크기와 복잡성에 따라 완료하는 데 몇 시간에서 며칠이 걸립니다. 또한 '첨가' 방법론이기 때문에 경제적이고 친환경적이며(낭비가 없음) 설계 범위가 훨씬 더 넓습니다.
다음 단계: 3D 바이오프린팅
바이오프린팅 3D 프린팅이 생물학적 생물 재료에 적용될 수 있도록 하는 최근의 발전과 함께 전통적인 3D 프린팅의 확장입니다. 3D 잉크젯 프린팅은 이미 첨단 의료 기기와 도구를 개발하고 제조하는 데 사용되고 있지만 생물학적 분자를 프린팅하고 보고 이해하려면 한 단계 더 발전해야 합니다. 결정적인 차이점은 잉크젯 프린팅과 달리 바이오 프린팅은 살아있는 세포 구조로 구성된 바이오 잉크를 기반으로 한다는 것입니다. 따라서 바이오프린팅에서는 특정 디지털 모델이 입력되면 특정 생체조직을 인쇄하여 세포층으로 쌓아 올리는 방식이다. 생체의 매우 복잡한 세포 구성 요소로 인해 3D 바이오프린팅은 천천히 진행되고 있으며 재료, 세포, 요인, 조직의 선택과 같은 복잡성은 추가적인 절차적 문제를 제기하고 있습니다. 이러한 복잡성은 생물학, 물리학 및 의학과 같은 학제 간 분야의 기술을 통합하여 이해를 넓힘으로써 해결할 수 있습니다.
바이오프린팅의 주요 진전
에 발표 된 연구에서 고급 기능성 재료, 연구자들은 '실제' 생물학적 구조와 유사한 구조 또는 디자인을 생성하기 위해 자연 조직(그들의 고유 환경)에서 일반적으로 발견되는 세포와 분자를 사용하는 3D 바이오프린팅 기술을 개발했습니다. 이 특별한 바이오프린팅 기술은 '분자 자가조립'과 '3D 프린팅'을 결합하여 복잡한 생체분자 구조를 만듭니다. 분자 자기 조립은 분자가 특정 작업을 수행하기 위해 스스로 정의된 배열을 채택하는 과정입니다. 이 기술은 '3D 프린팅'이 제공하는 '구조적 특징의 미시적 및 거시적 제어'와 '분자 자가 조립'에 의해 가능한 '분자 및 나노 규모 제어'를 통합합니다. 이는 분자 자가 조립의 힘을 사용하여 인쇄되는 세포를 자극하는데, 이는 일반 '3D 인쇄 잉크'가 이를 위한 수단을 제공하지 않는 경우 3D 인쇄의 한계입니다.
연구자들은 신체 내부의 기본 환경과 유사한 '바이오 잉크'에 구조를 '삽입'하여 구조가 신체에서와 같이 작동하도록 했습니다. 자가 조립 잉크라고도 불리는 이 바이오 잉크는 인쇄 도중과 인쇄 후에 화학적, 물리적 특성을 제어하거나 조절하는 데 도움이 되며 그에 따라 세포 행동을 자극할 수 있습니다. 적용 시 독특한 메커니즘 바이오 프린팅 이를 통해 우리는 이러한 세포가 환경 내에서 어떻게 작동하는지 관찰할 수 있으므로 실제 생물학적 시나리오에 대한 스냅샷과 이해를 얻을 수 있습니다. 여러 규모에서 잘 정의된 구조로 조립할 수 있는 여러 유형의 생체 분자를 인쇄하여 3D 생물학적 구조를 구축할 가능성을 높입니다.
미래가 매우 희망적입니다!
바이오프린팅 연구는 이미 다양한 유형의 조직을 생성하는 데 사용되고 있으므로 피부, 뼈, 이식편, 심장 조직 등 이식에 적합한 조직 및 장기의 필요성을 해결하기 위해 조직 공학 및 재생 의학에 매우 중요할 수 있습니다. 또한 이 기술은 디지털 제어 및 분자 정밀도로 신체의 조직과 유사하거나 모방하는 물체 또는 구성물을 실제로 생성함으로써 조직 공학의 번영을 가능하게 하는 복잡하고 특정한 세포 환경과 같은 생물학적 시나리오를 설계하고 생성할 수 있는 광범위한 가능성을 열어줍니다. 생체 조직, 뼈, 혈관 및 잠재적으로 전체 장기 모델은 의료 절차, 교육, 테스트, 연구 및 약물 발견 이니셔티브를 위해 생성할 수 있습니다. 맞춤형 환자별 구성의 매우 구체적인 세대는 정확하고 표적화된 맞춤형 치료를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.
일반적으로 바이오 프린팅 및 3D 잉크젯 프린팅의 가장 큰 장애물 중 하나는 적절한 디자인 또는 청사진을 생성하는 프린팅의 첫 번째 단계에서 문제를 해결하기 위해 고급의 정교한 소프트웨어를 개발하는 것입니다. 예를 들어 무생물의 청사진은 쉽게 만들 수 있지만 간이나 심장과 같은 디지털 모델을 만드는 경우 대부분의 물질적 개체처럼 어렵고 간단하지 않습니다. 바이오프린팅은 정밀한 제어, 반복성 및 개별 디자인과 같은 많은 이점을 가지고 있지만 여전히 여러 가지 문제를 안고 있습니다. 가장 중요한 것은 생활 환경이 정적이지 않고 동적이기 때문에 공간 구조에 여러 세포 유형을 포함하는 것입니다. 이 연구는 3D 바이오프린팅의 발전에 기여했으며 그 원칙을 따르면 많은 장애물을 제거할 수 있습니다. 바이오프린팅의 진정한 성공에는 여러 측면이 수반된다는 것이 분명합니다. 바이오프린팅에 힘을 실어줄 수 있는 가장 중요한 측면은 이 기술을 임상적으로 성공적으로 적용할 수 있도록 관련성 있고 적절한 바이오 물질의 개발, 인쇄 해상도의 향상 및 혈관화입니다. 바이오프린팅으로 인간 이식을 위해 완전히 기능하고 실행 가능한 장기를 '만드는' 것은 불가능해 보이지만 그럼에도 불구하고 이 분야는 빠르게 발전하고 있으며 불과 몇 년 만에 많은 발전이 최전선에 있습니다. 연구원과 생물의학 엔지니어는 이미 성공적인 복합 바이오프린팅의 길에 있기 때문에 바이오프린팅과 관련된 대부분의 문제를 극복할 수 있어야 합니다.
Bioprinting의 몇 가지 문제
바이오프린팅 분야에서 제기된 중요한 점은 이 단계에서 이 기술을 사용하여 환자에게 제공되는 생물학적 '맞춤형' 치료법의 효능과 안전성을 테스트하는 것이 거의 불가능하다는 것입니다. 또한, 이러한 처리와 관련된 비용은 특히 제조와 관련하여 큰 문제입니다. 인간의 장기를 대체할 수 있는 기능적 장기를 개발하는 것은 매우 가능성이 있지만, 그렇다고 해도 현재로서는 환자의 신체가 새로운 조직이나 생성된 인공 장기를 수용할 것인지, 그리고 그러한 이식이 성공할 것인지를 평가할 확실한 방법이 없습니다. 모두.
바이오프린팅은 성장하는 시장이며 조직과 장기의 개발에 초점을 맞출 것이며 아마도 수십 년 안에 3D 인쇄된 인간 장기 및 이식에서 새로운 결과가 나타날 것입니다. 3D 바이오 프린팅 우리 일생에서 가장 중요하고 관련성이 높은 의료 개발이 계속될 것입니다.
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출처
Hedegaard CL 2018. 펩타이드-단백질 바이오잉크의 유체역학적으로 안내된 계층적 자기 조립. 고급 기능성 재료. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
