바이오 프린팅

세포를 섬세한 3D 프레임 워크에 삽입함으로써 조직 성장 및 세포의 거동을 특히 잘 제어하고 조사 할 수 있습니다. 이것은 "바이오 프린팅"기술이라고 불리는 부가적인 3D 프린팅 방법을 사용하여 달성됩니다. 그러나 여기에는 여러 가지 문제점이 있습니다. 일부 방법은 매우 부정확하거나 셀을 손상시키지 않고 처리 할 수있는 매우 짧은 시간 창만 허용합니다. 또한, 사용되는 재료는 3D 바이오 프 라이팅 과정 중 및 후에 세포 친화적이어야합니다. 이것은 다양한 재료를 제한합니다.

TU Wien (Vienna)에서 완전히 새로운 재료를 사용한 고해상도 바이오 프린팅 프로세스가 개발되었습니다. 3D 프린터 용 특수 "바이오 잉크"덕분에 셀을 마이크로 미터 정밀도로 인쇄 된 3D 매트릭스에 내장 할 수 있습니다. 초당 1 미터의 인쇄 속도로 이전보다 훨씬 빠르게 진행됩니다.

환경 문제

"세포의 거동은 환경의 기계적, 화학적, 기하학적 특성에 따라 결정된다"고 재료 과학 기술 연구소 (TU Wien)의 3D 프린팅 및 바이오 제조 연구 그룹 책임자 인 Aleksandr Ovsianikov 교수는 말한다. "세포가 내장 된 구조는 세포가 생존하고 번식 할 수 있도록 영양분에 대해 투과성이어야한다. 그러나 구조가 시간이 지남에 따라 안정하거나 분해되는지의 여부는 중요하다."

먼저 적절한 구조를 생산 한 다음 살아있는 세포로 식민지화하는 것이 가능합니다. 그러나이 방법은 세포를 스캐 폴드 내부에 깊숙이 배치하는 것을 어렵게 만들며, 그런 식으로 균질 한 세포 분포를 얻는 것은 거의 불가능합니다. 더 나은 옵션은 구조물을 생산하는 동안 살아있는 세포를 3D 구조물에 직접 삽입하는 것입니다.이 기술을 "바이오 프린팅"이라고합니다.

오늘날 미세한 미세한 3D 물체를 인쇄하는 것은 더 이상 문제가되지 않습니다. 그러나 살아있는 세포의 사용은 과학에 완전히 새로운 도전을 제시한다. "지금까지는 적절한 화학 물질이 부족했다"고 Aleksandr Ovsianikov는 말한다. "집중된 레이저 빔으로 정확하게 밝힐 수있는 액체 또는 젤이 필요합니다. 그러나 이러한 물질은 세포에 해를 끼치 지 않아야하며 전체 공정이 매우 빠르게 진행되어야합니다."

한 번에 두 개의 광자

매우 높은 분해능을 달성하기 위해 TU Wien에서 수년간 광자 중합 법이 사용되었습니다. 이 방법은 물질 분자가 동시에 레이저 광의 두 광자를 흡수 할 때만 시작되는 화학 반응을 사용합니다. 레이저 빔의 강도가 특히 높은 경우에만 가능합니다. 이 시점에서 물질은 단단해지며 다른 곳에서는 액체로 남아 있습니다. 따라서이 2 광자 방법은 매우 정밀한 초 미세 구조를 만드는 데 가장 적합합니다.

그러나 이러한 고해상도 기술은 일반적으로 마이크로 미터 또는 초당 수 밀리미터 범위에서 매우 느리다는 단점이 있습니다. 그러나 TU Wien에서는 셀 친화적 인 재료를 초당 1 미터 이상의 속도로 처리 할 수 ​​있습니다. 전체 공정이 몇 시간 내에 완료 될 수있는 경우에만 세포가 생존하고 더 발전 할 가능성이 높다.

수많은 새로운 옵션

Aleksandr Ovsianikov는“우리의 방법은 세포의 환경을 적응시킬 수있는 많은 가능성을 제공한다. 구조물의 구조에 따라 더 단단하거나 부드럽게 만들 수 있습니다. 미세하고 연속적인 그래디언트도 가능합니다. 이러한 방식으로, 원하는 종류의 세포 성장 및 세포 이동을 허용하기 위해 구조가 어떻게 보이는지를 정확하게 정의 할 수있다. 레이저 강도는 또한 시간이 지남에 따라 구조물이 얼마나 쉽게 분해되는지를 결정하는 데 사용될 수 있습니다.

Ovsianikov는 이것이 세포 연구를위한 중요한 진전이라고 확신합니다. "이 3D 스캐 폴드를 사용하면 이전에는 달성 할 수 없었던 정확도로 세포의 거동을 조사 할 수 있습니다. 질병의 확산을 연구하고 줄기 세포를 사용하는 경우 이런 식으로 맞춤형 조직을 생산하는 것도 가능합니다. "

이 연구 프로젝트는 TU 비엔나의 3 개의 다른 연구소가 참여한 국제 및 학제 간 협력이다. Ovsianikov의 연구 그룹은 인쇄 기술 자체를 책임지고, 응용 합성 화학 연구소는 빠르고 세포 친화적 인 광개시제 ( 조명 된 경우 경화 공정)과 경량 구조물 및 구조 생체 역학 연구소 (Institute of Lightweight Structures and Structural Biomechanics)는 인쇄 구조물의 기계적 특성을 분석했습니다

연구결과 요약

해상도가 높은 바이오 프린팅(bioprinting) 과정이 개발되었다: 마이크로미터 정확도로 인쇄된 3D 매질에 세포들을 넣을 수 있다. 정교한 3D 골격에 세포를 넣어서 조직 성장과 세포들의 거동을 조절하고 조사할 수 있다.

그 연구자들에 따르면, 세포의 거동은 환경의 기계적, 화학적, 기하학적 성질에 크게 의존한다. 세포가 들어가는 구조는 영양소를 통과시켜서 세포들이 살아남아서 증식할 수 있어야 한다. 또 그 구조가 단단한지 유연한지, 안정적인지 시간이 지남에 따라서 분해되는지도 중요하다.

“바이오 프린팅”은 구조를 만드는 중에 살아있는 세포들을 직접 3D 구조 안에 넣는 기술이다. 살아있는 세포를 이용하는 바이오 프린팅을 위해서, 레이저 광선을 조사한 곳이 정확하게 고체화되는 겔(gels)이나 액체인 특별한 “바이오 잉크(bio ink)”가 필요하다. 이 물질은 세포에 해를 주지 않아야 하고, 전체 과정이 매우 빨리 이루어져야 한다.

그 연구자들은 2-광자 중합반응(two-photon polymerization)을 이용해서 인쇄 구조의 해상도를 높였다. 이 반응은 매우 높은 강도의 레이저 광선을 이용해서, 분자가 두 개의 광자를 동시에 흡수했을 때에만 개시될 수 있다. 이 지점에서 그 물질이 단단해지고 다른 부분은 액체 상태로 남아서, 매우 정교한 구조를 만드는데 적합하다.

그 연구자들은 인쇄 속도를 초당 일 미터 이상으로 높여서, 세포들이 살아남아 발달할 가능성도 높였다.

이 방법은 세포의 환경에 적용할 수 있는 많은 가능성을 제공한다. 이 3D 골격을 이용해서, 세포의 거동을 더 정확하게 조사할 수 있을 것이다. 줄기세포을 이용한다면, 이런 식으로 맞춤 제작 조직을 만드는 것도 가능하다.