3D बायोप्रिंटिंग वापरून 'वास्तविक' जैविक संरचना तयार करणे

3D बायोप्रिंटिंग तंत्रात मोठ्या प्रगतीमध्ये, पेशी आणि ऊती त्यांच्या नैसर्गिक वातावरणात वर्तन करण्यासाठी तयार केल्या गेल्या आहेत जेणेकरून 'वास्तविक' जैविक संरचना तयार करता येईल.

3D प्रिंटिंग ही एक प्रक्रिया आहे ज्यामध्ये एक सामग्री एकत्र जोडली जाते आणि अशा प्रकारे तीन-आयामी वस्तू किंवा अस्तित्व तयार करण्यासाठी संगणकाच्या डिजिटल नियंत्रणाखाली जोडली जाते किंवा घन केली जाते. रॅपिड प्रोटोटाइपिंग आणि अॅडिटीव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग या इतर संज्ञा आहेत ज्या जटिल वस्तू किंवा घटकांच्या निर्मितीच्या या तंत्राचे वर्णन करण्यासाठी वापरल्या जाणार्‍या सामग्री आणि हळूहळू बिल्ट अप - किंवा फक्त एक 'अॅडिटिव्ह' पद्धत. हे उल्लेखनीय तंत्रज्ञान 1987 मध्ये अधिकृतपणे शोधून काढल्यानंतर सुमारे तीन दशकांपासून आहे, अलीकडेच ते केवळ प्रोटोटाइपचे उत्पादन करण्याचे साधन नसून पूर्ण कार्यात्मक घटक ऑफर करणारे म्हणून प्रसिद्धी आणि लोकप्रियतेत आले आहे. च्या शक्यतांची क्षमता अशी आहे 3D अभियांत्रिकी, उत्पादन आणि औषध यासह अनेक क्षेत्रांमध्ये ते आता प्रमुख नवकल्पना आणत आहे.

विविध प्रकारच्या अॅडिटीव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग पद्धती उपलब्ध आहेत ज्या अंतिम अंतिम परिणाम प्राप्त करण्यासाठी समान चरणांचे अनुसरण करतात. पहिल्या महत्त्वाच्या टप्प्यात, संगणकावरील CAD (कॉम्प्युटर-एडेड-डिझाइन) सॉफ्टवेअर वापरून डिझाइन तयार केले जाते – याला डिजिटल ब्लूप्रिंट म्हणतात. हे सॉफ्टवेअर अंतिम रचना कशी तयार होईल आणि वर्तन कसे होईल याचा अंदाज लावू शकते, अशा प्रकारे ही पहिली पायरी चांगल्या परिणामासाठी महत्त्वाची आहे. या CAD डिझाईनचे नंतर तांत्रिक स्वरुपात रूपांतर केले जाते (ज्याला .stl फाइल किंवा मानक टेसेलेशन भाषा म्हणतात) जी 3D प्रिंटरला डिझाईनच्या सूचनांचा अर्थ लावण्यासाठी आवश्यक असते. पुढे, वास्तविक छपाईसाठी 3D प्रिंटर (नियमित, घर किंवा ऑफिस 2D प्रिंटर प्रमाणे) सेट करणे आवश्यक आहे - यामध्ये आकार आणि अभिमुखता कॉन्फिगर करणे, लँडस्केप किंवा पोर्ट्रेट प्रिंट निवडणे, योग्य पावडरसह प्रिंटर काडतुसे भरणे समाविष्ट आहे. . द 3 डी प्रिंटर नंतर मुद्रण प्रक्रिया सुरू होते, हळूहळू एका वेळी सामग्रीचा एक सूक्ष्म थर तयार केला जातो. हा थर साधारणपणे 0.1 मिमी जाडीचा असतो जरी तो मुद्रित केलेल्या विशिष्ट वस्तूसाठी सानुकूलित केला जाऊ शकतो. संपूर्ण प्रक्रिया बहुतेक स्वयंचलित आहे आणि कोणत्याही शारीरिक हस्तक्षेपाची आवश्यकता नाही, फक्त योग्य कार्यक्षमता सुनिश्चित करण्यासाठी वेळोवेळी तपासणी केली जाते. एखाद्या विशिष्ट वस्तूला पूर्ण होण्यासाठी अनेक तास ते दिवस लागतात, ते डिझाइनच्या आकार आणि जटिलतेवर अवलंबून असते. पुढे, ही एक 'अ‍ॅडिटिव्ह' पद्धत असल्याने, ती किफायतशीर, पर्यावरणास अनुकूल आहे (कोणत्याही अपव्ययशिवाय) आणि डिझाइन्ससाठी खूप मोठी संधी देखील प्रदान करते.

पुढील स्तर: 3D बायोप्रिंटिंग

बायोप्रिंटिंग अलीकडील प्रगतीसह पारंपारिक 3D प्रिंटिंगचा विस्तार आहे ज्यामुळे जैविक जीवन सामग्रीवर 3D मुद्रण लागू केले जाऊ शकते. 3D इंकजेट प्रिंटिंग आधीच प्रगत वैद्यकीय उपकरणे आणि साधने विकसित करण्यासाठी आणि तयार करण्यासाठी वापरली जात असताना, जैविक रेणू मुद्रित करण्यासाठी, पाहण्यासाठी आणि समजून घेण्यासाठी आणखी एक पाऊल विकसित करणे आवश्यक आहे. महत्त्वाचा फरक असा आहे की इंकजेट प्रिंटिंगच्या विपरीत, बायोप्रिंटिंग बायो-इंकवर आधारित आहे, ज्यामध्ये जिवंत पेशींच्या संरचनेचा समावेश आहे. म्हणून, बायोप्रिंटिंगमध्ये, जेव्हा विशिष्ट डिजिटल मॉडेल इनपुट केले जाते, तेव्हा विशिष्ट जिवंत ऊतक मुद्रित केले जाते आणि सेल लेयरद्वारे स्तर तयार केले जाते. जिवंत शरीरातील अत्यंत जटिल सेल्युलर घटकांमुळे, 3D बायोप्रिंटिंग हळूहळू प्रगती करत आहे आणि सामग्री, पेशी, घटक, ऊतींची निवड यासारख्या गुंतागुंत अतिरिक्त प्रक्रियात्मक आव्हाने उभी करत आहेत. जीवशास्त्र, भौतिकशास्त्र आणि वैद्यक यांसारख्या आंतरविद्याशाखीय क्षेत्रांमधील तंत्रज्ञानाचे एकत्रीकरण करून समज वाढवून या गुंतागुंतींचे निराकरण केले जाऊ शकते.

बायोप्रिंटिंगमध्ये मोठी प्रगती

प्रकाशित झालेल्या एका अभ्यासात प्रगत कार्यात्मक साहित्य, संशोधकांनी एक 3D बायोप्रिंटिंग तंत्र विकसित केले आहे जे 'वास्तविक' जैविक संरचनांसारखी रचना किंवा रचना तयार करण्यासाठी सामान्यतः नैसर्गिक ऊतींमध्ये (त्यांचे मूळ वातावरण) आढळणारे पेशी आणि रेणू वापरतात. हे विशिष्ट बायोप्रिंटिंग तंत्र जटिल बायोमोलेक्युलर संरचना तयार करण्यासाठी 'मॉलेक्युलर सेल्फ-असेंबली' सोबत '3D प्रिंटिंग' एकत्र करते. आण्विक सेल्फ-असेंबली ही एक प्रक्रिया आहे ज्याद्वारे रेणू विशिष्ट कार्य करण्यासाठी स्वतःहून एक परिभाषित व्यवस्था स्वीकारतात. हे तंत्र 'संरचनात्मक वैशिष्ट्यांचे सूक्ष्म आणि मॅक्रोस्कोपिक नियंत्रण' समाकलित करते जे '3D प्रिंटिंग' 'मॉलेक्युलर सेल्फ-असेंबली' द्वारे सक्षम 'आण्विक आणि नॅनो-स्केल कंट्रोल' प्रदान करते. हे छापल्या जात असलेल्या पेशींना उत्तेजित करण्यासाठी आण्विक स्वयं-असेंबलीची शक्ती वापरते, जे अन्यथा नियमित '3D प्रिंटिंग इंक' हे साधन प्रदान करत नाही तेव्हा 3D प्रिंटिंगमध्ये एक मर्यादा आहे.

संशोधकांनी 'बायो इंक' मध्ये रचना 'एम्बेड' केली जी शरीरातील त्यांच्या मूळ वातावरणाशी मिळतीजुळती आहे ज्यामुळे रचना शरीरात जशी वागेल तसे वागतात. ही जैव-शाई, ज्याला सेल्फ-असेंबलिंग इंक देखील म्हटले जाते, छपाई दरम्यान आणि नंतर रासायनिक आणि भौतिक गुणधर्म नियंत्रित किंवा सुधारण्यास मदत करते, जे नंतर त्यानुसार सेल वर्तन उत्तेजित करण्यास अनुमती देते. लागू केल्यावर अद्वितीय यंत्रणा बायोप्रिंटिंग आम्हाला या पेशी त्यांच्या वातावरणात कसे कार्य करतात यावर निरिक्षण करण्यास अनुमती देते, ज्यामुळे आम्हाला एक स्नॅपशॉट आणि वास्तविक जैविक परिस्थितीची समज मिळते. हे बहुविध स्केलवर चांगल्या-परिभाषित संरचनांमध्ये एकत्रित होण्यास सक्षम असलेल्या अनेक प्रकारच्या जैव रेणू मुद्रित करून 3D जैविक संरचना तयार करण्याची शक्यता वाढवते.

भविष्य खूप आशादायक आहे!

बायोप्रिंटिंग संशोधन आधीच विविध प्रकारचे ऊतक निर्माण करण्यासाठी वापरले जात आहे आणि अशा प्रकारे ऊतक अभियांत्रिकी आणि पुनर्जन्म औषधासाठी प्रत्यारोपणासाठी उपयुक्त ऊतक आणि अवयव - त्वचा, हाडे, कलम, हृदयाच्या ऊती इत्यादींची आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी खूप महत्वाचे असू शकते. पुढे, तंत्र डिजीटल नियंत्रणाखाली आणि आण्विक सुस्पष्टतेसह- जे शरीरातील ऊतकांसारखे किंवा नक्कल करतात अशा वस्तू किंवा रचना तयार करून टिश्यू अभियांत्रिकीची समृद्धी सक्षम करण्यासाठी जटिल आणि विशिष्ट सेल वातावरणासारख्या जैविक परिस्थितीची रचना आणि निर्मिती करण्याच्या शक्यतांची विस्तृत श्रेणी उघडते. जिवंत ऊती, हाडे, रक्तवाहिन्या आणि संभाव्य आणि संपूर्ण अवयवांचे मॉडेल वैद्यकीय प्रक्रिया, प्रशिक्षण, चाचणी, संशोधन आणि औषध शोध उपक्रमांसाठी तयार करणे शक्य आहे. सानुकूलित रुग्ण-विशिष्ट रचनांची अतिशय विशिष्ट पिढी अचूक, लक्ष्यित आणि वैयक्तिक उपचारांची रचना करण्यात मदत करू शकते.

बायोप्रिंटिंग आणि 3D इंकजेट प्रिंटिंगसाठी सर्वात मोठा अडथळे म्हणजे छपाईच्या पहिल्या टप्प्यावर आव्हान पेलण्यासाठी प्रगत, अत्याधुनिक सॉफ्टवेअरचा विकास करणे – योग्य डिझाइन किंवा ब्ल्यू प्रिंट तयार करणे. उदाहरणार्थ, निर्जीव वस्तूंची ब्लूप्रिंट सहजपणे तयार केली जाऊ शकते परंतु जेव्हा यकृत किंवा हृदयाचे डिजिटल मॉडेल तयार करण्याचा विचार येतो तेव्हा ते आव्हानात्मक आणि बहुतेक भौतिक वस्तूंसारखे सरळ नाही. बायोप्रिंटिंगचे निश्चितपणे अनेक फायदे आहेत - अचूक नियंत्रण, पुनरावृत्तीक्षमता आणि वैयक्तिक डिझाइन परंतु तरीही अनेक आव्हानांनी ग्रासलेले आहे - सर्वात महत्वाचे म्हणजे अवकाशीय संरचनेत एकाधिक सेल प्रकारांचा समावेश करणे कारण जिवंत वातावरण गतिमान असते आणि स्थिर नसते. या अभ्यासाने 3D बायोप्रिंटिंगच्या प्रगतीमध्ये योगदान दिले आहे आणि त्यांच्या तत्त्वांचे पालन करून अनेक अडथळे दूर केले जाऊ शकतात. हे स्पष्ट आहे की बायोप्रिंटिंगच्या वास्तविक यशाला अनेक पैलू जोडलेले आहेत. बायोप्रिंटिंगला सक्षम बनवणारी सर्वात महत्त्वाची बाब म्हणजे संबंधित आणि योग्य बायोमटेरियल्सचा विकास, छपाईचे रिझोल्यूशन वाढवणे आणि हे तंत्रज्ञान वैद्यकीयदृष्ट्या यशस्वीपणे लागू करण्यासाठी व्हॅस्क्युलायझेशन. बायोप्रिंटिंगद्वारे मानवी प्रत्यारोपणासाठी पूर्णपणे कार्यक्षम आणि व्यवहार्य अवयव 'तयार करणे' अशक्य वाटते परंतु असे असले तरी हे क्षेत्र वेगाने प्रगती करत आहे आणि आता काही वर्षांत अनेक विकास आघाडीवर आहेत. संशोधक आणि बायोमेडिकल अभियंते आधीच यशस्वी जटिल बायोप्रिंटिंगच्या मार्गावर असल्यामुळे बायोप्रिंटिंगशी संलग्न असलेल्या बहुतेक आव्हानांवर मात करणे शक्य झाले पाहिजे.

बायोप्रिंटिंगसह काही समस्या

बायोप्रिंटिंगच्या क्षेत्रात एक महत्त्वाचा मुद्दा असा आहे की हे तंत्र वापरून रुग्णांना दिल्या जाणाऱ्या कोणत्याही जैविक 'वैयक्तिकृत' उपचारांची परिणामकारकता आणि सुरक्षितता तपासणे या टप्प्यावर जवळजवळ अशक्य आहे. तसेच, अशा उपचारांशी संबंधित खर्च ही एक मोठी समस्या आहे, विशेषतः जेथे उत्पादनाशी संबंधित आहे. जरी मानवी अवयवांची जागा घेऊ शकणारे कार्यक्षम अवयव विकसित करणे खूप शक्य आहे, परंतु तरीही, रुग्णाचे शरीर नवीन ऊतक किंवा तयार केलेले कृत्रिम अवयव स्वीकारेल की नाही आणि असे प्रत्यारोपण यशस्वी होईल की नाही हे मूल्यांकन करण्यासाठी सध्या कोणताही मूर्ख मार्ग नाही. सर्व

बायोप्रिंटिंग ही एक वाढणारी बाजारपेठ आहे आणि ती ऊती आणि अवयवांच्या विकासावर लक्ष केंद्रित करेल आणि कदाचित काही दशकांत 3D मुद्रित मानवी अवयव आणि प्रत्यारोपणात नवीन परिणाम दिसून येतील. 3D बायोप्रिंटिंग आमच्या आयुष्यातील सर्वात महत्वाचा आणि संबंधित वैद्यकीय विकास राहील.

***

{उद्धृत स्रोतांच्या सूचीमध्ये खाली दिलेल्या DOI लिंकवर क्लिक करून तुम्ही मूळ शोधनिबंध वाचू शकता}

स्त्रोत

हेडेगार्ड सीएल 2018. पेप्टाइड-प्रोटीन बायोइंक्सची हायड्रोडायनामिकली गाइडेड हायरार्किकल सेल्फ-असेंबली. प्रगत कार्यात्मक साहित्य. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716