Οι κλινικοί οδοντίατροι θα μπορούν σύντομα να κάνουν κλικ στην «εκτύπωση» πριν κατευθυνθούν στο χειρουργείο

Η δημιουργία βιομιμητικών ικριωμάτων για τη στοματική χειρουργική ιστορικά ήταν δύσκολη, καθώς δεν ήταν πάντα εφικτό να εξασφαλιστεί ότι θα πληρούνταν όλες οι απαραίτητες προδιαγραφές, όπως η αντοχή και η ευκαμψία. Η βιοεκτύπωση και οι πρόοδοι στα υλικά κάνουν ευκολότερη την κατασκευή δομών κολλαγόνου που χρειάζονται στη στοματική χειρουργική.

Παρόλο που οι σύγχρονες θεραπείες της περιοδοντικής νόσου μπορούν να προσφέρουν κάποιες λύσεις για την αποκατάσταση των οδοντικών ιστών, συχνά αποτυγχάνουν να αναπαράγουν την αυθεντική πολύπλοκη ανατομική δομή των ιστών. Η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση έχει φέρει την επανάσταση στην θεραπεία προσφέροντας ακρίβεια στην ανάπλαση των ιστών. Μία ομάδα στην Κίνα έχει δημοσιεύσει μία ανασκόπηση των διαθέσιμων μεθόδων τρισδιάστατης εκτύπωσης για κολλαγονούχα βιοϋλικά και η εφαρμογή τους για την ανάπλαση των στοματικών ιστών όπως τα νεύρα και τα αιμοφόρα αγγεία του πολφού, οι χόνδροι και οι περιοδοντικοί ιστοί.

Υπόβαθρο

Η τρισδιάστατη εκτύπωση, που ξεκίνησε από τον Charles Hull το 1986, χρησιμοποιεί ψηφιακά εκμαγεία για να κατασκευάζει αντικείμενα στρώμα- στρώμα χρησιμοποιώντας συγκολλήσιμα υλικά, παρέχοντας ευκαμψία στο σχεδιασμό, μειωμένο κόστος παραγωγής και βελτιωμένη λειτουργικότητα. Στην οδοντιατρική, η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση στοχεύει στην ανάπλαση των στοματικών ιστών και έχει μετακινήσει την οδοντιατρική χειρουργική προς περισσότερο ακριβείς και ψηφιοποιημένες προσεγγίσεις.

Το κολλαγόνο, ένα βασικό συστατικό της εξωκυττάριας μήτρας, χρησιμοποιείται συχνά στο σχεδιασμό ιστών λόγω των δομικών και χημικών ομοιοτήτων του με την εξωκυττάρια μήτρα των στοματικών ιστών. Όμως, η ταχεία αποδόμησή του περιορίζει την άμεση εφαρμογή του σε ικριώματα ιστών. Για να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητά του, το κολλαγόνο συνδυάζεται συνήθως με άλλα υλικά. για παράδειγμα, για βιομιμητικές δομές, οι ερευνητές έχουν συνδυάσει βιοενεργό γυαλί με τροποποιημένο κολλαγόνο για να βελτιώσουν τη βιωσιμότητα των ανθρώπινων μεσεγχυματικών βλαστοκυττάρων.

Τα κολλαγονούχα βιομελάνια προσφέρουν άριστη δυνατότητα εκτύπωσης για διάφορες μεθόδους τρισδιάστατης εκτύπωσης. Η δυνατότητα εκτύπωσης του κολλαγόνου εξαρτάται από τη σύνθεση του βιομελανιού και την τεχνική εκτύπωσης. Τα ικριώματα κολλαγόνου τρισδιάστατης εκτύπωσης μπορούν να παρέχουν ένα περιβάλλον για ανάπτυξη κυττάρων, είτε προσελκύοντας βλαστικά κύτταρα είτε φιλοξενώντας κύτταρα απευθείας.

Μέθοδοι βιοεκτύπωσης

Οι τεχνολογίες βιοεκτύπωσης ταξινομούνται αδρά σε βιοεκτύπωση ψεκασμού, πίεσης και φωτοβοηθούμενες. Προερχόμενη από την παραδοσιακή εκτύπωση ψεκασμού, η βιοεκτύπωση ψεκασμού εναποθέτει σταγονίδια μελανιού στρώμα- στρώμα. Προσφέρει ακριβή τοποθέτηση κυττάρων σε δισδιάστατες και τρισδιάστατες δομές, κατάλληλες για κατασκευή ιστών. Όμως, αντιμετωπίζει δυσκολίες στην εκτύπωση κυττάρων υψηλής πυκνότητας λόγω της απόφραξης των ακροφυσίων.

Η βιοεκτύπωση εξώθησης χρησιμοποιεί πίεση, είτε πνευματική (πεπιεσμένου αέρα) είτε μηχανική, για να ωθήσει το βιομελάνι μέσω ενός ακροφυσίου. Αυτή είναι επεκτάσιμη και διαχειρίζεται καλά τα βιομελάνια υψηλού ιξώδους. Όμως, παράγοντες όπως η διάμετρος του ακροφυσίου μπορεί να επηρεάσουν τη βιωσιμότητα των κυττάρων.

Η φωτοβοηθούμενη βιοεκτύπωση που πρωτοεμφανίστηκε για τους δισδιάστατους σχηματισμούς κυττάρων χρησιμοποιεί λέιζερ για να στερεοποιήσει το βιομελάνι, εξασφαλίζοντας ελάχιστη μηχανική καταπόνηση και επιτρέποντας τη δημιουργία δομών υψηλής ανάλυσης. Οι τεχνικές περιλαμβάνουν μεταφορά προώθησης επαγόμενη από λέιζερ, στερεολιθογραφία και κατεργασία ψηφιακού φωτός. Αυτές οι μέθοδοι δημιουργούν ικριώματα με υψηλή δομική πιστότητα και καλή κυτταρική βιωσιμότητα.

Εφαρμογές

Μία έρευνα που μελέτησε την τρισδιάστατη βιοεκτύπωση χόνδρου με βιομελάνια κολλαγόνου έδειξε ότι οι υδρογέλες κολλαγόνου υψηλής πυκνότητας, όταν θερμαίνονταν, βελτίωναν τη γεωμετρική ακρίβεια των εκτυπωμένων δομών, βελτιώνοντας τη δομική πιστότητα και τη μηχανική αντοχή. Μία άλλη μελέτη παρείχε μία σύγκριση μεταξύ διαφορετικών βιομελανιών για την εκτύπωση χόνδρων, συμπεραίνοντας ότι οι συνδυασμοί αλγινικού- αγαρόζης και αλγινικού- κολλαγόνου προσέφεραν ανώτερη αντοχή στη συμπίεση και στον εφελκυσμό από αυτήν του σκέτου αλγινικού. Επιπλέον, το αλγινικό- κολλαγόνο προήγε την καλύτερη επιβίωση των κυττάρων και διατηρούσε αποτελεσματικά το φαινότυπο των χονδροκυττάρων.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι επίσης χρήσιμη στην αναδημιουργία των δομών νανοϊνών της εξωκυττάριας μήτρας του χόνδρου. Έχει βρεθεί ότι αυτά τα ικριώματα υποστηρίζουν την πρόσφυση, τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση των κυττάρων και ότι εμφανίζουν δυναμικό οστεοχονδρικής αναγέννησης. Έχουν υπάρξει επίσης πρωτοβουλίες χρήσης της τρισδιάστατης εκτύπωσης για επιδιόρθωση της κροταφογναθικής διάρθρωσης. Τα ικριώματα που δημιουργήθηκαν από ζελατίνη εμφάνιζαν δυναμικό για διαφοροποίηση χόνδρου από μεσεγχυματικά βλαστοκύτταρα προέλευσης από ανθρώπινο μυελώδες οστό. Η ομάδα σημείωσε στην ανασκόπηση ότι η έρευνα έχει επίσης τονίσει την αποτελεσματικότητα της χρήσης δύο διασταυρούμενων μεθόδων μαζί στα ικριώματα, συμπεραίνοντας ότι αυτές οι δομές ευνοούν την ανάπτυξη οστού και χόνδρου.

Εξαγωγή κολλαγόνου

Υπάρχουν πολλές μέθοδοι εξαγωγής κολλαγόνου. Μία μέθοδος εξαγωγής με υψηλή αποτελεσματικότητα και με τρόπο που είναι φιλικός προς το περιβάλλον είναι η ενζυματική εξαγωγή, η οποία δημιουργεί ομοιοπολικούς δεσμούς στο κολλαγόνο υπό όξινες συνθήκες, διατηρώντας τις φυσικές και βιοχημικές ιδιότητες του κολλαγόνου. Τα ευρέως χρησιμοποιούμενα ένζυμα περιλαμβάνουν την πεψίνη, την παγκρεατική πρωτεάση, την παπαΐνη και τη φυκίνη. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την εξαγωγή περιλαμβάνουν την θερμοκρασία, το pH, το χρόνο και τη συγκέντρωση των ενζύμων. Πέρα από αυτό, έχουν αναπτυχθεί πολύπλοκες μέθοδοι εξαγωγής για να επιτευχθεί αποτελεσματική και ταχεία εξαγωγή του κολλαγόνου χωρίς να επιβαρύνεται η δομή.

Σημείωση του συντάκτη: Η ανασκόπηση, με τίτλο «3D bioprinting of collagen- based materials for oral medicine», δημοσιεύτηκε online στις 31 Αυγούστου 2023 στο περιοδικό Collagen and Leather.

Αναδημοσίευση από το περιοδικό 3D Printing, Φεβρουάριος 2023.