인쇄 가능한 기관은 3D 인쇄 기술을 사용하여 생성 된 장기 교체 용으로 설계된 인위적으로 제작 된 장치입니다. 인쇄 가능한 장기의 주요 목적은 이식입니다. 연구는 현재 인공 심장, 신장 및 간 조직뿐만 아니라 다른 주요 기관에서도 수행되고 있습니다. 심장과 같은 더 복잡한 기관의 경우, 심장 판막과 같은 더 작은 구조물도 연구 대상이되었습니다. 일부 인쇄 장기는 임상 구현을위한 기능 요구 사항에 접근하고 있으며 주로 소변 튜브와 같은 혈관 구조물뿐만 아니라 방광과 같은 중공 구조물을 포함합니다.

3D 프린팅은 세포 구조를 형성하기 위해 특정 기관 구조의 층별 구성을 허용합니다. 이것은 관심 세포가 비계 구조에 직접 pipetted있는 세포 시딩의 과정이 뒤따를 수 있습니다. 또한 시드를 나중에 수행하는 대신 인쇄 가능한 재료 자체에 셀을 통합하는 프로세스가 탐구되었습니다.

수정 된 잉크젯 프린터는 3 차원 생물학적 조직을 생산하는 데 사용되었습니다. 프린터 카트리지는 살아있는 세포의 현탁액과 스마트 젤로 채워져 있으며, 후자는 구조를 제공하는 데 사용됩니다. 똑똑한 젤과 살아있는 세포의 번갈아 나타나는 패턴은 표준 인쇄 노즐을 사용하여 인쇄되고 결국 세포가 융합되어 조직을 형성하게됩니다. 완료되면 젤은 냉각되고 씻겨 져서 살아있는 세포 만 남게됩니다.

역사
Clemson University의 Thomas Boland가 세포 용 잉크젯 프린팅의 사용에 대한 특허를 획득 한 2003 년에 세포 구조를 생성하기위한 3D 인쇄가 처음 소개되었습니다. 이 프로세스는 기판 상에 배치 된 조직화 된 3 차원 매트릭스에 세포를 증착시키기위한 변형 된 스포팅 시스템을 이용했다.

Boland의 초기 발견 이후, 생물 구조로 알려진 생물학적 구조물의 3D 프린팅은 세포 매트릭스와는 달리 조직 및 장기 구조물의 생산을 포괄하도록 더욱 발전되었습니다. 또한, 압출 바이오 프린팅 (extrusion bioprinting)과 같은 인쇄 기술이 연구되어 이후 생산 수단으로 도입되었습니다.

오르간 인쇄는 기증자 기관의 세계적인 부족에 대한 잠재적 인 해결책으로 접근되었습니다. 임상 환경에서 성공적으로 인쇄되고 시행 된 장기는 피부와 같은 평평하거나 혈관과 같은 혈관 또는 방광과 같은 중공입니다. 인공 장기가 이식을 위해 준비 될 때, 그들은 수령인의 자신의 세포로 수시로 생성된다.

보다 복잡한 기관, 즉 고체 세포 구조로 구성된 기관은 연구 중에 있습니다. 이 기관에는 심장, 췌장 및 신장이 포함됩니다. 생존 가능한 의학 치료로 그러한 기관을 도입 할 수있는시기에 대한 견적은 다양합니다. 2013 년 Organovo는 3D bioprinting을 사용하여 사람의 간을 만들었지 만 이식에 적합하지 않으며 주로 약물 검사 용 매체로 사용되었습니다.

구혼
연구원은 살아있는 합성 기관을 생산하는 데있어 다른 접근법을 개발했습니다. 3D 바이오 프린팅은 세 가지 주요 접근 방식을 기반으로합니다 : 생체 모방 (Biomimicry), 자율적 인 자체 조립 및 미니 티슈 블록 구성.

생체 모방
바이오 프린팅에 대한 첫 번째 접근법을 생체 모방이라고합니다. 이 접근법의 주요 목적은 자연 구조와 동일한 구조를 만드는 것입니다. 생체 모방 (biomimicry)은 장기와 조직의 형태, 프레임 및 미세 환경의 중복을 필요로합니다. 바이오 인쇄의 바이오 미미 크리 어플리케이션은 장기의 세포 및 세포 외 부분의 동일한 사본을 포함합니다. 이 접근법이 성공하기 위해서는 미크론 규모의 조직 복제가 필요합니다. 이 정도의 정밀도는 미세 환경, 생물학적 힘의 성질, 세포의 정확한 조직, 용해성 인자 및 세포 외 기질의 구성과 구조를 이해하는 것을 포함합니다.

자기 조립
바이오 인쇄에 사용되는 두 번째 접근법은 자율적 인 자체 조립입니다. 이 접근법은 배아 기관을 개발하는 자연적인 물리적 과정에 의존합니다. 세포가 초기 발달 단계에있을 때, 그들은 자신의 세포 외 매트릭스 빌딩 블록을 만들고, 그들 자신의 적절한 세포 시그널링을 생성하고, 기대되는 생물학적 기능을 제공하는데 필요한 레이아웃과 마이크로 아키텍처를 취한다. 자율적 인 자기 조직화는 배아의 조직 및 장기의 발달 과정에 대한 지식을 필요로합니다. 자율적 인 자기 조립은 세포 생성 능력을 조직 발생의 ​​기본 구성 요소로 사용합니다. 따라서이 기술은 조직이 성장하는 미세 환경뿐만 아니라 배아 조직 개발 메커니즘에 대한 철저한 이해가 필요합니다.

미니 원단
바이오 프린팅에 대한 세 번째 접근법은 생체 모방 (biomimetic) 및 자기 조립 방법의 조합입니다. 이 기술을 “미니 조직”이라고합니다. 장기와 조직은 매우 작은 기능적 구성 요소로 만들어집니다. 미니 패브릭 방식은 이러한 작은 조각을 가져 와서 큰 구조로 배열하는 것입니다. 이 방법은 두 가지 전략을 사용합니다. 첫 번째 전략은 천연 패턴을 가이드로 사용하여 대규모 패브릭에 자기 조립 셀 구체를 사용하는 것입니다. 두 번째 전략은 정확한 재현성과 고품질의 원단을 개발하고 대형 기능성 원단에 자동으로 장착 할 수 있도록하는 것입니다. 이러한 전략의 혼합은 복잡한 3 차원 생물학적 구조를 인쇄하는 데 필요합니다.

오르간 프린팅은 NBIC 기술 (나노, 바이오, 정보 및인지)이 의학 및 외과 수술을 발전시키고 시간을 절약하며 비용을 절감하고 환자와 환자에게 새로운 기회를 창출 할 수있는 큰 가능성을 제공합니다. 건강 전문가.

3D 인쇄 기술
인공 장기 제조용 3D 프린팅은 생물 공학 분야의 주요 연구 주제입니다. 3D 인쇄에 의해 수반되는 신속한 제조 기술이 점점 더 효율적으로됨에 따라, 인공 기관 합성에 대한 그 적용 가능성이 더욱 분명 해졌다. 3D 프린팅의 주요 이점 중 일부는 스캐 폴드 구조의 대량 생산 능력뿐 아니라 스캐 폴드 제품의 해부학 적 정밀도가 높기 때문입니다. 이것은 자연 기관이나 조직 구조의 미세 구조와보다 효과적으로 유사한 구조물을 만들 수있게합니다.

3D 인쇄를 사용하는 오르간 인쇄는 다양한 기법을 사용하여 수행 할 수 있으며 각 기술은 특정 유형의 오르간 생산에 적합 할 수있는 특정 이점을 부여합니다. 오르간 인쇄의 가장 두드러진 유형은 드롭 기반의 바이오 프린팅 및 압출 바이오 프린팅입니다. 수많은 다른 것들이 존재하지만, 일반적으로 사용되지는 않았거나 아직 개발 중에 있습니다.

드롭 기반 바이오 프린팅 (잉크젯)
드롭 기반 바이오 프린팅 (bioprinting)은 종종 세포주와 결합 된 특정 물질의 개별 방울을 사용하여 세포 구조물을 만듭니다. 기판 표면과의 접촉시, 각각의 액적들이 중합되기 시작하여, 개별 액적들이 합쳐지면서 더 큰 구조를 형성한다. 중합은 액상 바이오 인크로 확산되어 고체 겔을 형성 할 수있는 기질상의 칼슘 이온의 존재에 의해 촉진된다. 드롭 기반의 바이오 프린팅 (bioprinting)은 효율적인 속도로 인해 일반적으로 사용되지만, 이러한 측면은 복잡한 장기 구조에 적합하지 않습니다.

압출 바이오 프린팅
압출 바이오 프린팅은 모바일 인쇄 헤드의 일종 인 압출기로부터 특정 인쇄 재료 및 셀 라인을 일정하게 증착하는 것과 관련이 있습니다. 이것은 물질 또는 세포 침착을위한보다 제어되고 부드러운 방법으로 경향이 있으며, 3D 조직 또는 장기 구조의 구축에보다 큰 세포 밀도를 사용할 수 있습니다. 그러나 이러한 장점은이 기술로 인해 느린 인쇄 속도로 인해 다시 설정됩니다. 압출 바이오 프린팅은 종종 인쇄 된 물질을 광중합하여보다 안정되고 통합 된 구조물을 형성하는 자외선과 결합됩니다.

인쇄 재료
3D 프린팅 용 재료는 일반적으로 세포 부착 분자를 결합시킨 알지네이트 또는 피브린 폴리머로 구성되며 세포의 물리적 부착을 지원합니다. 이러한 폴리머는 구조적 안정성을 유지하고 세포 통합을 수용하도록 특별히 고안되었습니다. 용어 “bioink”는 3D bioprinting과 호환되는 광범위한 재료로 사용되었습니다.

인쇄 재료는 광범위한 기준에 부합해야하며 가장 중요한 것은 생체 적합성입니다. 3D 인쇄물에 의해 형성된 발판은 물리적으로 화학적으로 세포 증식에 ​​적합해야합니다. 생분해 성은 또 다른 중요한 요소이며, 성공적인 이식시 인위적으로 형성된 구조가 완전히 자연적인 세포 구조로 대체 될 수 있음을 보증합니다. 3D 인쇄의 특성으로 인해 사용되는 재료는 사용자 정의 및 적응이 가능해야하며 광범위한 셀 유형 및 구조적 구조에 적합해야합니다.

하이드로 겔 알지네이트는 오르간 프린팅 연구에서 가장 일반적으로 사용되는 재료 중 하나로 등장했으며 고도로 맞춤화 할 수 있으며 자연 조직의 특정 기계적 및 생물학적 특성을 시뮬레이션하도록 미세 조정할 수 있습니다. 하이드로 겔이 특정 요구에 맞게 조정될 수 있기 때문에 다양한 조직 또는 장기 구조 및 생리적 조건에 적합한 적응 가능한 인공 지지체 재료로 사용할 수 있습니다. 알지네이트 사용의 주요 문제점은 안정성과 느린 분해로 인하여 인공 젤 스캐 폴딩이 분해되어 이식 된 세포의 세포 외 매트릭스로 대체되기 어렵 기 때문입니다. 압출 인쇄에 적합한 알기 네이트 하이드로 젤은 구조적으로나 기계적으로 소리가 적습니다. 그러나이 문제는 안정성을 높이기 위해 나노 셀룰로오스와 같은 다른 생체 고분자를 혼합하여 조정할 수 있습니다. 알지네이트 또는 혼합 고분자 바이오 링크의 특성은 조정 가능하며 다양한 용도 및 장기 유형에 따라 변경 될 수 있습니다.

장기 구조
오르간 프린팅의 기술적 과제 중 많은 부분이 3D Bioprinting의 다른 애플리케이션과 공유되지만 이식 가능한 인쇄 오르간의 성공적인 제작을 위해 해결해야 할 장기 별 구조 요소가 있습니다.

혈관 신생
인쇄 된 장기를 통해 세포로 영양분과 산소를 ​​전달하는 것이 그 기능에 필수적입니다. 두께가 1 밀리미터 미만인 매우 작거나 얇은 조직에서는 세포가 확산을 통해 영양분을받을 수 있습니다. 그러나 더 큰 장기는 조직 내부의 더 깊은 세포로 영양분을 운반해야하며, 이는 조직이 혈관 화되어 산소와 세포 폐기물과 같은화물을 교환하기 위해 혈액을받을 수 있어야합니다. 조기 장기 인쇄 기술로 숙주 혈관이 이식되어 들어갈 때 혈관이 형성되지 않거나 천천히 혈관이 막히는 단단한 조직이 생겨 조직 내부의 괴사와 같은 이식 물의 건강과 성공적인 회복을 위협 할 수 있습니다. 보다 최근에 개발 된 기술은 기존의 내부 혈관계를 포함하여보다 복잡한 3D 구조로 인쇄 된 기관을 만들어 호스트 순환 시스템에 이식을보다 신속하게 통합 할 수있게합니다. 현재 개발중인 혈관 시스템을 만드는 여러 기술이 있습니다. 하나의 방법은 혈관을 별도로 압출하여 큰 조직에 넣는 것입니다. 또 다른 방법은 전체 조직을 한꺼번에 인쇄하고 희석 성 또는 다른 방식으로 제거 가능한 바이오 링크를 사용하여 용기의 내부를 형성하는 희생 인쇄 (sacrificial printing)입니다. 일단 이러한 희생 스 캐 폴딩이 화학적 또는 열적 방법에 의해 제거되면 조직의 나머지 부분은 혈관 패턴을 포함합니다.

셀 소스
완전한 장기의 생성은 종종 구별되고 패턴 된 방식으로 배열 된 다양한 다른 세포 유형의 통합을 필요로합니다. 전통적 이식법에 비해 3D로 인쇄 된 장기의 한 가지 장점은 새로운 장기를 만들기 위해 환자에서 추출한 세포를 사용할 가능성입니다. 이것은 이식 거부 반응의 가능성을 현저히 감소 시키며, 이식 후 면역 억제 약물의 필요성을 제거하여 이식의 건강 위험을 감소시킬 수 있습니다. 그러나 필요한 모든 세포 유형을 항상 수집 할 수있는 것은 아니기 때문에 성인 줄기 세포를 수집하거나 수집 된 조직에서 다 능성을 유도해야 할 수도 있습니다. 이것은 자원 집약적 인 세포 성장과 분화를 수반하며 인쇄 된 장기의 세포 증식이 신체 외부에서 발생하고 성장 인자의 외부 적용이 필요하기 때문에 잠재적 인 건강 위험 요소가 있습니다. 그러나 일부 조직이 분화 된 구조로자가 조직 할 수있는 능력은 조직을 동시에 구성하고 구별되는 세포 집단을 형성하여 장기 인쇄의 효능 및 기능을 향상시킬 수있는 방법을 제공 할 수 있습니다.