Хураангуй

Сүүлийн үед шинэ эм нээх болон эдийн инженерчлэлд зориулж амьд эд эрхтэний бүтцийг гарган авах нь чухал асуудал болон гарч ирж байна. Уламжлалт 3D хэмжээст хэвлэлд металл, хуванцар зэрэг материал ашигладаг байсан бол эд эсийн 3D хэвлэл нь хүний биеийн амьд эсүүд болон биологийн матрицтай нийцэж байх шаардлагатай болж байгаа юм. Эсийг хэвлэх үйл явцад өөрийнх нь эсийн механик шинж чанар, бүтэц, эсийн гаднах матрицыг хуулбарлаж, тухайн эсийн биологийн үүргийг хадгалах шаардлагатай болдог. Тиймээс, уламжлалт 3D хэмжээст хэвлэлийг эсийн 3D хэвлэлд шилжүүлж өөрчлөхөд ихээхэн бэрхшээлтэй тулгарч байна. Био хэвлэмэл эдэд хийсэн суурь судалгаануудад үндэслэн эсийг хэвлэхэд тусгайлан зориулсан  шинэ биоматериал боловсруулах, эсийн механик үйл ажиллагаа, эсийн бүтцийг судлан ойлгох, хэвлэсэн био материалд судасжилтын нэвчилтийг зохистой түвшинд байлгах зэрэг шинэ технологуудыг хөгжүүлэх нь нэн чухал байгаа юм. Сүүлийн жилүүдэд амьд эд эс  бүтээх чиглэлд  3D  эсийн хэвлэлийн талаар олон сонирхолтой судалгааны дэвшил гарсан. Энэхүү тойм өгүүлэл нь 3D эсийн хэвлэх технологийн хөгжил, нөхөн сэргээх анагаах ухаан болон шинэ эм гарган авахад амьд хэвлэмэл эдүүдийн хэрэглэсэн үр дүнг нэгтгэн харуулах зорилготой.

Түлхүүр үг: эсийн хэвлэл, эдийн инженерчлэл, нөхөн сэргээх анагаах ухаан,  эдийн 3D загвар

Гол агуулга: Саяхан rapid prototyping буюу additive manufacturing гэж нэрлэгддэг байсан гурван хэмжээст 3D хэвлэл нь хатуу биет эдийн физик шинж чанарыг хуулбарласан загвар, биоматериал, тодорхой хэлбэр дүрстэй эдийн суулгацыг бий болгох зорилгоор гарч ирсэн. Гурван хэмжээст хэвлэх систем нь 3D бүтцийг үүсгэхийн тулд компьютерын хяналтыг ашиглан биоматериалыг хөдөлгөөнт хавтан дээр суулгадаг. Одоогийн 3D хэвлэх систем нь эд эсийг хэд хэдэн техникээр бүтээдэг. Үүнд:

1. Photo- polymerize liquid monomer –фото-полимераз шингэн мономер.
2. Sinter powdered materials- нунтаг бөөрөнхий материал.
3. Process material either thermally or chemically as it passes through a nozzle-үзүүрээр дамжин өнгөрөх үед нь халуун юмуу химийн аргаар боловсруулна.
4. Print materials, such as chemical binder onto powder-химийн нунтаг материалаар хэвлэнэ.

Ихэнх 3D технологид амьд бие эрхтэнийг бий болгох нь гол асуудал юм. Учир нь хортой нэгдэл, өндөр температур, хүчтэй лазер ашиглаж байгаа учраас амьд эд эрхтэнийг бодитоор гаргах боломжгүй байна. Энэ асуудлыг шийдэхээр амьд эсийг хэвлэхэд гидрогелийг ашиглах болсон. Үүнийг эдийн эсийн хэвлэл болон органик хэвлэл гэж нэрлэдэг. Амьд эсийн 3D хэвлэлийн талаарх сүүлийн үеийн судалгаанууд нь гидрогелийг амьд эсүүдээр оруулан 3 хэмжээст эдийн бүтцийг бий болгох технологийг хөгжүүлэхэд чиглэгдэж байна. Энэ шинэ ойлголтыг эсийн хэвлэл буюу эрхтэн хэвлэл гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ нь 3 хэмжээст хэвлэлийн дэвшилтэт хэлбэр юм. Эсийн 3D хэвлэл нь уламжлалт 3 хэмжээст хэвлэлтэй харьцуулахад биоматериал, эсийн хэлбэр, өсөлтийн хүчин зүйлийг сонгож болдогоороо  давуу талтай юм.

Эсийн 3D хэвлэл нь:

1. Нөхөн сэргээх анагаах ухаанд бүрэн гүйцэд үйл ажиллагаатай амьд эдийг гарган авах
2. Өвчний үйл явцыг загварчлах болон шинэ эмийг бүтээхэд, хүний ​​эсэд суурилсан эд эсийн хуулбарласан загварыг үйлдвэрлэх зэрэгт чухал ач холбогдолтой байна.

Эсийн хэвлэлийн технологи: Эсийг амжилттай хэвлэх үйл явцын гол бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нэг бол эсэд гэмтэл учруулахгүйгээр амьд эсийг зөв байршуулан тараах технологи юм. Эсүүд болон биоматериалын гидрогелийг шингэн дусал хэлбэрээр эсвэл наалдамхай гелийн тасралтгүй урсгалаар тараан байрлуулах зорилгоор бүтээгдсэн хэд хэдэн технологи байдаг. Ерөнхийдөө эсийг хэвлэх гурван үндсэн техник бий. Үүнд:

1. Extrusion-based cell printing- бичил шахалтанд суурилсан эс хэвлэл
2. Inkjet cell printing- бэхэн эс хэвлэл
3. Laser direct writing- лазерын тусламжаар эс хэвлэх

Эсийг хэвлэх биоматериал:

Эс хэвлэх материалыг сонгох нь түүний физик, хими шинж чанар,полимеразажих механизм, хайлах цэг зэрэг  онцлог шинж чанаруудыг харгалзахаас гадна эцсийн хэвлэсэн 3D бүтцийн чанарт шууд нөлөөлдөг. Гидрогел бол амьд эсийг хэвлэхэд хамгийн их хэрэглэгддэг биоматериал юм. Гидрогел нь полимер болон пептидийн гинжнээс тогтоно. Гидрогелийг эхлээд шингэн хэлбэрээр хэвлээд дараа нь хатуурсан макромолекул сүлжээний хэлбэрийг бий болгохын тулд хөндлөн холбодог. Гидрогелийг синтетик (лабораторит синтезлэж гаргаж авсан) болон байгалийн гаралтай (байгалийн эх үүсвэрээс цэвэршүүлж гаргаж авсан) гэж 2 ангилдаг. Синтетик гидрогелийн хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг бодис полиэтилен гликол (PEG) дээр суурилсан материалууд, тухайлбал PEG диакрилат (PEGDA) эсвэл полиакриламид (PAAm) гель юм. Эсийг хэвлэхэд хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг байгалийн гаралтай гидрогелууд нь коллаген, фибрин, алгинат, матригел юм. Сүүлийн үед байгалийн гаралтай гидрогелууд болох метакрилат желатин (GelMA) эсвэл гиалуроны хүчил (HA) зэргийг  фотохимийн шинэ аргаар боловсруулан гаргаж авч байна.

3D-ээр хэвлэсэн амьд эд, эрхтэнүүд:

3D эсийн хэвлэл нь эс болон биоматериалуудын геометрийн байршлыг нарийн түвшинд тогтоож 3D бүтцийг гаргадаг. Хүний эрхтэний хувьд хялбаршуулсан эдийг бий болгоход томоохон дэвшил гарч яс, мөгөөрс, арьс, цусны судас зэргийг тухайн хүний эдийг дуурайлган жижиг хэмжээтэйгээр хэвлэж чадаж байна.

• 3D хавдрын загвар: Хорт хавдрын судалгаа нь ихэнхдээ амьтны туршилт судалгаан дээр хийгддэг. Эдгээр амьтан дээр хийгддэг in vivo туршилтууд нь маш чухал ач холбогдолтой боловч хулгана болон хүний төрөл зүйлийн хувьд хорт хавдрын биологи, дархлаа судлалын хувьд ялгаатай байдаг. Тиймээс хулгана дээр хийгдсэн судалгаагаар үр дүнтэй байсан шинэ эм нь хүн дээр үйлчилгээ үзүүлэхгүй байж болно. Үүнээс гадна амьтан дээр хийгдэх судалгаа нь үр дүн удаан гардаг, үнэ ихтэй байдаг. Одоогоор 3D эсийн хэвлэл нь хүзүүний хавдрыг in vitro түвшинд бүтээх судалгаанд ашиглагдаж байна. Энэхүү судалгаагаар 3D хэвлэлээр хавдрын загварыг гаргахад HeLa эс болон желатин, алгинат, фибриноген, гидрогелийг ашигласан байна.
• Яс: Ясны эд нь хүний ​​эд эсээс хамгийн хүчтэй механик шинж чанарыг шаарддаг эрхтэн юм. Поликапролактон (PCL), полилактик хүчил ба полигликолын хүчил (PLGA) зэрэг синтетик гидрогелууд болон кальцийн фосфат (BCP), трикальци фосфат (TCP)-ын хослолыг ясны эдийн инженерчлэлд ашиглаж байна. Хэдийгээр коллаген I нь ясны эдийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг боловч түүний механик шинж чанар нь нийлэг материал шиг бат бөх биш учраас ясны эдийн инженерчлэлд түгээмэл хэрэглэгддэггүй. Ясны 3D хэвлэлд хэрэглэдэг ихэнх материал нь өндөр концентрацитай, маш их уян наалдамхай байдаг. Ийм учраас 3D ясны хэвлэлд extrusion-based cell printing- бичил шахалтанд суурилсан технологийг ихэвчлэн ашигладаг байна.
• Мөгөөрс: Мөгөөрс нь мэдрэлгүй, судасгүй эрхтэн юм. Үений мөгөөрс нь биеийн өөр өөр байршилд бүтэц, нягтрал, морфологи, гликозаминогликаны агууламж, биосинтезийн үйл ажиллагаа, механик шинж чанараараа ялгаатай байдаг. Өвчтөнд өвөрмөц мөгөөрсний эдийг гарган авахын тулд 3D эсийн хэвлэлийг дүрс оношилгооны CT, MRI-тай хамт хэрэглэж байна. Нэгэн судалгаанд 3D загвар гарган авахын тулд СТ, MRI шинжилгээ болон meniscus disc-ийн геометрийн бүтцийг дуурайлган гаргахын тулд meniscus cell-ийг тарьсан байна.
• Арьс: Арьсны эд эсийн инженерчлэлийн амжилттай жишээ нь коллаген I, фибрин, худалдаанд байдаг арьсны эсийн орлуулагч (матридерм гэх мэт) юм. Саяхан Lee нар бэхэнд суурилсан биохэвлэлийг ашиглан хэвлэсэн 3D арьсны бүтцийг гарган авсан байна. Коллаген I, кератиноцит, фибробластуудыг арьсны эдийн олон давхаргатай бүтцийг дуурайлган давхарга, давхаргаар нь хэвлэсэн. Koch нар лазерд суурилсан эс хэвлэх аргыг ашиглан kоллаген, фибробласт, кератиноцитоос тогтох 3D арьсны хуулбарыг мөн бүтээжээ.
• Судас: Хэвлэмэл эдийн бүтцийг судасжуулах нь хүний ​​хэмжээтэй зузаан, том эд эсийг амьд үлдэхэд чухал ач холбогдолтой. Гэсэн хэдий ч эд эсийн инженерчлэлд судас болон судас төст бүтцийг гарган авах нь хүндрэлтэй хэвээр байна. Өөр нэг судалгаагаар 3D биопринтинг ашиглан судас төст бүтцийг гарган авахын тулд гиалуронан гидрогелуудыг, тетраэдр полиэтилен гликолыг ашигласан. Судасны эсийг хэвлэхэд бэхэн хэвлэл болон лазер хэвлэлийн аль алиныг нь ашигладаг. Нэгэн судалгаагаар биологийн лазер принтингээр хүний хүйсний венийн эндотелийн эсийн болон гөлгөр булчингийн эсийн салаалалтын бүтцийг амжилттай гарган авсан.
• Зүрхний эд: Туршилтын хархны зүрхний шигдээстэй хэсэгт биопринтерээр хэвлэсэн зүрхний нөхөөс тавьж судасжилтыг эргэн сэргээх судалгаа хийгдсэн байна. Зүрхний булчингийн эдийг нөхөн сэргээх зорилгоор Гаетани нар хүний кардиомиоцит прогененатор эс (hCMPC) болон алгинат гидрогелыг багтаасан зүрхний 3D бүтцийг хэвлэж чадсан.
• Зүрхний хавхлага: Зүрхний хавхлаганд гэмтэл нилээдгүй тохиолддог учраас зүрхний хавхлагыг 3D хэвлэж гаргах судалгаанууд сүүлийн үед ихээр хийгдсэн. Duan нар extrusion-based cell printing-ээр гиалуроны хүчил, желатин, хүний ​​аортын хавхлагын завсрын эсүүдийг ашиглан 3 хавтаст хавхлагыг гарган авсан бөгөөд хэвлэсэн 3D гурван хавтаст хавхлага нь амьдрах чадвар сайн байсан байна.

3D хэмжээст эсийн хэвлэх технологи нь биоматериалын хэрэглээг нэмэгдүүлсэн, эдийг хуулбарлах хамгийн үр дүнтэй арга юм. Цаашид эд эрхтэнийг нөхөн сэргээх, шинэ эмийн туршилт болон аливаа нэг өвчний явц, эмгэг жамыг 3D хэвлэсэн эд, эрхтэн дээр судлах, ажиглах том бололцоог олгож байгаа учраас энэхүү чиглэлийн судалгаанууд улам хөгжих болно.

Бэлтгэсэн:  Т.Баяраа, Д.Долгион (АУХ, ЗСМЗ сектор)

Хянасан:    Л.Тулгаа (Анагаах ухааны доктор)

Эх сурвалж: Vivian K. Lee and Guohao Dai Ann.  Printing of Three-Dimensional Tissue Analogs for Regenerative Medicine. Biomed Eng. 2017 January ; 45(1): 115–131. doi:10.1007/s10439-016-1613-7.