Bioprinting består av tre huvudsteg:1. Pre-bioprinting, som inkluderar strukturdesign, biobläckberedning, och tryckbarhetsbedömning. Fysikens lagar kan hjälpa forskare att förbereda biobläck med inställbara parametrar för bästa tillverkningsresultat; 2. Biotryckningsprocessen, som innebär leverans av optimerade, som förberedda biobläck i önskad form med hjälp av ett datorstyrt system; 3. Post-bioprinting, det mest kritiska skedet, som innehåller den fjärde dimensionen av bioprinting, tid. Detta steg involverar flera cellulära självmonteringsprocesser som styrs av fysiska lagar. Fysiken för cellulär självmontering har undersökts av forskare för att uppnå funktionella och livskraftiga biotryckta vävnader/organ. Kredit:Ashkan Shafiee
3D-skrivare kan användas för att göra en mängd användbara föremål genom att bygga upp en form, lager på lager. Forskare har använt samma teknik för att "bioprinta" levande vävnader, inklusive muskler och ben.
Bioprinting är en relativt ny teknik som har utvecklats mestadels genom försök och misstag. Forskare använder nu fysikens lagar och prediktiv datormodellering för att förbättra dessa tekniker och optimera bioprintningsprocessen. Dessa nya framsteg granskas i numret 4 juni av Tillämpad fysik recensioner .
De mest använda bioskrivarna är extrudering, bläckstråle- och laserbaserade skrivare. Varje typ involverar lite olika fysik, och var och en har sina egna fördelar och nackdelar.
Sa medförfattaren Ashkan Shafiee, "Det enda sättet att uppnå en betydande övergång från "trial and error" till "predict and control"-fasen av bioprinting är att förstå och tillämpa den underliggande fysiken."
En extruderingsskrivare laddar ett material, känd som bioink, i en spruta och skriver ut den genom att trycka ut bläcket med en kolv eller lufttryck. Biobläcket kan vara en samling rena levande celler eller en suspension av celler i en hydrogel eller en polymer. Bläckstrålebioskrivare fungerar på liknande sätt men använder antingen en piezoelektrisk kristall eller en värmare för att skapa droppar från en liten öppning. Laserskrivare fokuserar en laserstråle på ett band, där ett tunt lager biobläck sprids, och resulterar i hög cellviabilitet.
Biologiska produkter som skapats genom bioprinting är i allmänhet inte direkt användbara. Även om skrivaren kan skapa en initial konfiguration av celler, dessa celler kommer att föröka sig och sättas ihop till en ny konfiguration. Processen liknar den som sker när ett embryo utvecklas, och celler smälter samman med andra celler och sorterar sig själva i nya regioner.
Datormodelleringstekniker utvecklades i mitten av 2010-talet för att optimera självmonteringssteget efter utskrift av biotryck, där små fragment av vävnad levereras till ett bärande material med den önskade biologiska strukturens form, som ett organ, med biobläck. De små fragmenten utvecklas sedan vidare och självmonterar sig till den slutliga biologiska strukturen.
Modellen innefattar ekvationer som beskriver attraktions- och repulsionskrafterna mellan celler. Författarna visade att simuleringar med denna metod - känd som cellulär partikeldynamik, eller CPD – förutsäg korrekt mönstret i vilket en samling celler kommer att samlas efter det första utskriftssteget.
