Fysiske love erstatter forsøg og fejl i nye metoder til bioprinting

3D-printere kan bruges til at lave en række nyttige objekter ved at opbygge en form, lag for lag. Forskere har brugt den samme teknik til at "bioprint" levende væv, herunder muskler og knogler.

Bioprinting er en forholdsvis ny teknologi, der for det meste har avanceret ved forsøg og fejl. Forskere bruger nu fysikkens love og forudsigende computermodellering til at forbedre disse teknikker og optimere bioprintingsprocessen. Disse nye fremskridt gennemgås i 4. juni -udgaven af Anvendt fysik anmeldelser .

De mest anvendte bioprintere er ekstrudering, inkjet- og laserbaserede printere. Hver type involverer lidt forskellig fysik, og hver har sine egne fordele og ulemper.

Sagde medforfatter Ashkan Shafiee, "Den eneste måde at opnå en væsentlig overgang fra 'forsøg og fejl' til 'forudsig og kontrol' fase af bioprinting er at forstå og anvende den underliggende fysik."

En ekstruderingsprinter indlæser et materiale, kendt som bioink, ind i en sprøjte og udskriver den ved at tvinge blækket ud med et stempel eller lufttryk. Bioinket kan være en samling af rene levende celler eller en suspension af celler i en hydrogel eller en polymer. Inkjet bioprinters fungerer på en lignende måde, men brug enten en piezoelektrisk krystal eller en varmelegeme til at skabe dråber fra en lille åbning. Laserprintere fokuserer en laserstråle på et bånd, hvor et tyndt lag bioink spredes, og resulterer i høj cellelevedygtighed.

Biologiske produkter skabt ved bioprinting er generelt ikke umiddelbart anvendelige. Selvom printeren muligvis opretter en indledende konfiguration af celler, disse celler vil formere sig og samles igen til en ny konfiguration. Processen ligner det, der sker, når et embryo udvikler sig, og celler smelter sammen med andre celler og sorterer sig ind i nye områder.

Computermodelleringsteknikker blev udviklet i midten af ​​2010'erne for at optimere selvudskrivningstrinnet efter udskrivning af bioprinting, hvor små fragmenter af væv afleveres i et understøttende materiale med den ønskede biologiske strukturs form, såsom et organ, med bioink. De små fragmenter udvikler sig derefter videre og samler sig selv til den endelige biologiske struktur.

Modellen involverer ligninger, der beskriver tiltrækningskræfter og frastødningskræfter mellem celler. Forfatterne viste, at simuleringer ved hjælp af denne metode - kendt som cellulær partikeldynamik, eller CPD - forudsig korrekt det mønster, som en samling celler vil samle sig efter det første udskrivningstrin.