Mer än 113, 000 personer finns för närvarande på den nationella transplantationslistan. Och med brist på givare, detta betyder att cirka 20 människor kommer att dö varje dag i väntan på ett organ, enligt det amerikanska hälsoministeriet.

Men detta kan förändras tack vare forskare vid UC Berkeley, som har utvecklat en enhet som kan vara nyckeln till bioprintningens livskraft, en förlängning av 3D -utskrift som tillåter levande vävnad, ben, blodkärl och till och med hela organ som ska skrivas ut på begäran. Ett papper om detta arbete publicerades nyligen i Journal of Medical Devices .

För närvarande, Det finns två stora hinder som står i vägen för orgeltryck. Eftersom levande celler och fungerande organ kräver specialiserad temperatur och kemiska förhållanden för att överleva, celler försämras under själva 3D -utskriften av ett stort orgel eftersom processen är för långsam. Och även om orgeln kan skrivas ut i 3D, logistiken för att transportera den kräver lagring, som alltid har varit en flaskhals för transplantationer.

För att minimera celldöd under 3D -utskrift av ett organ, Berkeley -forskarna utvecklade en teknik som använder parallellisering, där flera skrivare producerar 2D -lager av vävnader samtidigt. Dessa 2D-lager staplas sedan lager för lager för att bilda 3D-strukturer.

För att övervinna lagringsproblemet för dessa tillverkade organ, laget förlitade sig på sju decennier av kunskap och tekniker för att bevara enskilda celler. Deras teknik fryser varje 2D -lager omedelbart efter att det har slagits samman i 3D -strukturen, och denna process för frysning av ett enda lager av celler ger optimala förutsättningar för att överleva frysningsprocessen, förvaring och transport.

"Just nu, biotryck används främst för att skapa en liten volym vävnad. Problemet med 3D -biotryck är att det är en mycket långsam process, så du kan inte skriva ut något stort eftersom de biologiska materialen kommer att försämras när du är klar. En av våra innovationer är att vi fryser materialet medan det trycks, så att det biologiska materialet bevaras, och vi kan kontrollera fryshastigheten, "sa Boris Rubinsky, professor i maskinteknik och medförfattare till tidningen.

Rubinsky noterade också att genom att först skriva ut vävnader i 2D och sedan montera dem i ett 3D -objekt på en annan station, hans team påskyndade produktionen avsevärt genom att väsentligen eliminera utskriftstiden. Efter att samlingslinjen för bioprinters skapar parallellt flera 2-D-lager av vävnad, en robotarm - förstärkt av ingenjörsstudenter - tar upp lagret och bär det till en annan station. Där, vävnaderna staplas ihop för att skapa ett 3D -objekt och smälts samman via frysning.

"När varje lager staplas för att bilda en 3D -struktur, en av de innovationer vi implementerade var att doppa 3D -strukturen i ett kryogeniskt bad för att frysa det snarare än att badet skulle fyllas för att möta varje lager, "sa Joseph Sahyoun (Meng '18, ME) och medförfattare på tidningen. "Denna metod gjorde att vi kunde kontrollera fryshastigheten mer exakt."

Förutom organ, en annan potentiell tillämpning för denna teknik är mat. Lag-för-lager-utskrift och montering gör det möjligt för tillverkare att utforska olika texturer av livsmedel. Det gör det också möjligt för dem att utveckla mat som är lyhörd för behoven hos sjuka människor.

"Dysfagi är mycket vanligt bland den geriatriska befolkningen. Eftersom dessa patienter har svårt att svälja, de får mat som är i grunden mjukt, så de har ingen aptit, och problemet förvärras, "sa Rubinsky." Men om du kan skapa mat med konsistens, detta kan vara mer aptitretande. När de tuggar, maten smälter i munnen så att de kan svälja och få näringsämnen. Vår teknik gör att du kan göra det med vilken typ av mat som helst. "

Han noterar att tekniken också möjliggör utveckling av industriell produktion av frysta livsmedel, där iskristallernas struktur i maten kontrolleras noggrant vid det enda cellskiktet genom hela produkten.

"Detta är viktigt eftersom iskristallernas storlek och iskristallernas homogenitet är ett centralt element i kvaliteten på den frysta maten, sa Rubinsky.

Även om konceptet att stapla tunna lager för att skapa ett 3D -objekt inte är nytt för tillverkning, det är nytt att göra det med biologiska material.

"Det är en stor skillnad mellan material som används vid konventionell laminering - som papper, plast, keramik och metaller - som är styva, även i tunna lager, och biologiskt material bestående mestadels av vätska som är mycket mindre. "sade Gideon Ukpai, en doktorand i Rubinskys laboratorium och huvudförfattare till tidningen. "

Så, laget använde av förnuftigt designade hydrofila och hydrofoba styva ytor på vilka 2D -lagren är tryckta. Dessa specialdesignade lager gör att 2D -skikten kan transporteras över avstånd, oavsett tyngdriktning, för placering på ett 3D -objekt.

Förutom forskning, Ukpai fungerade också som mentor för ingenjörsstudenten, som alla är listade som medförfattare på tidningen. För framtida forskning, Ukpai och en ny kohort av mästare på ingenjörsstudenter från Fung Institute kommer att arbeta för att bättre optimera denna process, karaktärisera produkterna och fastställa lämpliga scenarier som ger flest fördelar.