3डी बायोप्रिंटिंग का उपयोग करके 'वास्तविक' जैविक संरचनाओं का निर्माण

3डी बायोप्रिंटिंग तकनीक में एक प्रमुख प्रगति में, कोशिकाओं और ऊतकों को उनके प्राकृतिक वातावरण में व्यवहार करने के लिए बनाया गया है ताकि 'वास्तविक' जैविक संरचनाओं का निर्माण किया जा सके।

3डी प्रिंटिंग एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें एक सामग्री को एक साथ जोड़ा जाता है और इस प्रकार एक त्रि-आयामी वस्तु या इकाई बनाने के लिए कंप्यूटर के डिजिटल नियंत्रण में जुड़ जाता है या जम जाता है। रैपिड प्रोटोटाइपिंग और एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग अन्य शब्द हैं जिनका उपयोग जटिल वस्तुओं या संस्थाओं के निर्माण की इस तकनीक का वर्णन करने के लिए किया जाता है, जो सामग्री को परत करके और धीरे-धीरे निर्मित होता है - या बस एक 'एडिटिव' विधि। 1987 में आधिकारिक तौर पर खोजे जाने के बाद यह उल्लेखनीय तकनीक लगभग तीन दशकों से है, हाल ही में इसे न केवल प्रोटोटाइप बनाने का एक साधन होने के कारण, बल्कि पूर्ण कार्यात्मक घटकों की पेशकश के रूप में सुर्खियों और लोकप्रियता में लाया गया है। ऐसी है संभावनाओं की संभावना 3D यह प्रिंट करते हुए कि यह अब इंजीनियरिंग, निर्माण और चिकित्सा सहित कई क्षेत्रों में प्रमुख नवाचारों को चला रहा है।

विभिन्न प्रकार के योज्य निर्माण विधियां उपलब्ध हैं जो अंतिम अंतिम परिणाम प्राप्त करने के लिए समान चरणों का पालन करती हैं। पहले महत्वपूर्ण चरण में, कंप्यूटर पर CAD (कंप्यूटर-एडेड-डिज़ाइन) सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके डिज़ाइन बनाया जाता है - जिसे डिजिटल ब्लूप्रिंट कहा जाता है। यह सॉफ्टवेयर भविष्यवाणी कर सकता है कि अंतिम संरचना कैसे निकलेगी और व्यवहार भी करेगी, इस प्रकार यह पहला कदम एक अच्छे परिणाम के लिए महत्वपूर्ण है। यह सीएडी डिज़ाइन तब एक तकनीकी प्रारूप (जिसे .stl फ़ाइल या मानक टेसेलेशन भाषा कहा जाता है) में परिवर्तित किया जाता है, जो कि 3D प्रिंटर के लिए डिज़ाइन के निर्देशों की व्याख्या करने में सक्षम होने के लिए आवश्यक है। इसके बाद, वास्तविक प्रिंटिंग के लिए 3D प्रिंटर को स्थापित करने की आवश्यकता होती है (एक नियमित, घर या कार्यालय 2D प्रिंटर के समान) - इसमें आकार और अभिविन्यास को कॉन्फ़िगर करना, लैंडस्केप या पोर्ट्रेट प्रिंट का चयन करना, प्रिंटर कार्ट्रिज को सही पाउडर से भरना शामिल है। . NS 3D प्रिंटर फिर मुद्रण प्रक्रिया शुरू करता है, धीरे-धीरे एक समय में सामग्री की एक सूक्ष्म परत डिजाइन का निर्माण करता है। यह परत आम तौर पर लगभग 0.1 मिमी मोटाई की होती है, हालांकि इसे किसी विशेष वस्तु को मुद्रित करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। पूरी प्रक्रिया ज्यादातर स्वचालित है और किसी भौतिक हस्तक्षेप की आवश्यकता नहीं है, केवल सही कार्यक्षमता सुनिश्चित करने के लिए समय-समय पर जांच की जाती है। डिज़ाइन के आकार और जटिलता के आधार पर किसी विशेष वस्तु को पूरा होने में कई घंटे से लेकर कई दिनों तक का समय लगता है। इसके अलावा, चूंकि यह एक 'एडिटिव' पद्धति है, यह किफायती, पर्यावरण के अनुकूल (बिना किसी अपव्यय के) है और डिजाइनों के लिए बहुत अधिक गुंजाइश भी प्रदान करती है।

अगला स्तर: 3डी बायोप्रिंटिंग

बायोप्रिंटिंग जैविक जीवित सामग्री पर लागू होने के लिए 3 डी प्रिंटिंग को सक्षम करने वाली हालिया प्रगति के साथ पारंपरिक 3 डी प्रिंटिंग का विस्तार है। जबकि 3डी इंकजेट प्रिंटिंग का उपयोग पहले से ही उन्नत चिकित्सा उपकरणों और उपकरणों के विकास और निर्माण के लिए किया जा रहा है, जैविक अणुओं को प्रिंट करने, देखने और समझने के लिए एक कदम और विकसित करने की आवश्यकता है। महत्वपूर्ण अंतर यह है कि इंकजेट प्रिंटिंग के विपरीत, बायोप्रिंटिंग बायो-इंक पर आधारित होती है, जिसमें जीवित कोशिका संरचनाएं शामिल होती हैं। तो, बायोप्रिंटिंग में, जब एक विशेष डिजिटल मॉडल इनपुट होता है, तो विशिष्ट जीवित ऊतक मुद्रित होता है और सेल परत द्वारा परत बनाया जाता है। जीवित शरीर के अत्यधिक जटिल सेलुलर घटकों के कारण, 3डी बायोप्रिंटिंग धीरे-धीरे आगे बढ़ रही है और सामग्री, कोशिकाओं, कारकों, ऊतकों की पसंद जैसी जटिलताएं अतिरिक्त प्रक्रियात्मक चुनौतियां पेश कर रही हैं। इन जटिलताओं को जीव विज्ञान, भौतिकी और चिकित्सा जैसे अंतःविषय क्षेत्रों से प्रौद्योगिकियों को एकीकृत करके समझ को व्यापक बनाकर संबोधित किया जा सकता है।

बायोप्रिंटिंग में प्रमुख प्रगति

में प्रकाशित एक अध्ययन में उन्नत कार्यात्मक सामग्री, शोधकर्ताओं ने एक 3डी बायोप्रिंटिंग तकनीक विकसित की है जो 'वास्तविक' जैविक संरचनाओं के समान निर्माण या डिजाइन बनाने के लिए प्राकृतिक ऊतकों (उनके मूल वातावरण) में सामान्य रूप से पाए जाने वाले कोशिकाओं और अणुओं का उपयोग करती है। यह विशेष बायोप्रिंटिंग तकनीक जटिल जैव-आणविक संरचनाओं को बनाने के लिए '3डी प्रिंटिंग' के साथ 'आणविक स्व-संयोजन' को जोड़ती है। आणविक स्व-संयोजन एक ऐसी प्रक्रिया है जिसके द्वारा अणु एक विशिष्ट कार्य को करने के लिए स्वयं एक परिभाषित व्यवस्था को अपनाते हैं। यह तकनीक 'संरचनात्मक विशेषताओं के सूक्ष्म और मैक्रोस्कोपिक नियंत्रण' को एकीकृत करती है जो '3 डी प्रिंटिंग' 'आणविक स्व-संयोजन' द्वारा सक्षम 'आणविक और नैनो-स्केल नियंत्रण' प्रदान करती है। यह मुद्रित की जा रही कोशिकाओं को उत्तेजित करने के लिए आणविक स्व-संयोजन की शक्ति का उपयोग करता है, जो अन्यथा 3 डी प्रिंटिंग में एक सीमा है जब नियमित '3 डी प्रिंटिंग स्याही' इसके लिए यह साधन प्रदान नहीं करती है।

शोधकर्ताओं ने 'जैव स्याही' में संरचनाओं को 'एम्बेडेड' किया जो शरीर के अंदर उनके मूल वातावरण के समान है जिससे संरचनाएं वैसा ही व्यवहार करती हैं जैसा वे शरीर में करती हैं। यह बायो-इंक, जिसे सेल्फ-असेंबलिंग स्याही भी कहा जाता है, प्रिंटिंग के दौरान और बाद में रासायनिक और भौतिक गुणों को नियंत्रित या संशोधित करने में मदद करता है, जो तब तदनुसार सेल व्यवहार को उत्तेजित करने की अनुमति देता है। लागू होने पर अद्वितीय तंत्र bioprinting हमें यह देखने की अनुमति देता है कि ये कोशिकाएं अपने वातावरण में कैसे काम करती हैं, जिससे हमें वास्तविक जैविक परिदृश्य की एक स्नैपशॉट और समझ मिलती है। यह कई प्रकार के बायोमोलेक्यूल्स को प्रिंट करके 3डी जैविक संरचनाओं के निर्माण की संभावना को बढ़ाता है जो कई पैमानों पर अच्छी तरह से परिभाषित संरचनाओं में संयोजन करने में सक्षम हैं।

भविष्य बहुत आशान्वित है!

विभिन्न प्रकार के ऊतक उत्पन्न करने के लिए पहले से ही बायोप्रिंटिंग अनुसंधान का उपयोग किया जा रहा है और इस प्रकार ऊतक इंजीनियरिंग और पुनर्योजी चिकित्सा के लिए बहुत महत्वपूर्ण हो सकता है ताकि प्रत्यारोपण के लिए उपयुक्त ऊतकों और अंगों की आवश्यकता को पूरा किया जा सके - त्वचा, हड्डी, ग्राफ्ट, हृदय ऊतक आदि। इसके अलावा, तकनीक डिजिटल नियंत्रण के तहत और आणविक परिशुद्धता के साथ-जो शरीर में ऊतकों के समान या नकल करते हैं, वास्तव में वस्तुओं या निर्माणों का निर्माण करके ऊतक इंजीनियरिंग की समृद्धि को सक्षम करने के लिए जटिल और विशिष्ट सेल वातावरण जैसे जैविक परिदृश्यों को डिजाइन और बनाने की संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को खोलता है। चिकित्सा प्रक्रियाओं, प्रशिक्षण, परीक्षण, अनुसंधान और दवा खोज पहल के लिए जीवित ऊतक, हड्डी, रक्त वाहिकाओं और संभावित और पूरे अंगों के मॉडल बनाना संभव है। अनुकूलित रोगी-विशिष्ट निर्माणों की बहुत विशिष्ट पीढ़ी सटीक, लक्षित और व्यक्तिगत उपचार तैयार करने में मदद कर सकती है।

सामान्य रूप से बायोप्रिंटिंग और 3डी इंकजेट प्रिंटिंग के लिए सबसे बड़ी बाधाओं में से एक है, प्रिंटिंग के पहले चरण में चुनौती का सामना करने के लिए एक उन्नत, परिष्कृत सॉफ़्टवेयर का विकास - एक उपयुक्त डिज़ाइन या ब्लूप्रिंट बनाना। उदाहरण के लिए, निर्जीव वस्तुओं का खाका आसानी से बनाया जा सकता है, लेकिन जब डिजिटल मॉडल बनाने की बात आती है, जैसे कि यकृत या हृदय, तो यह अधिकांश भौतिक वस्तुओं की तरह चुनौतीपूर्ण और सीधा नहीं होता है। बायोप्रिंटिंग के निश्चित रूप से कई फायदे हैं - सटीक नियंत्रण, दोहराव और व्यक्तिगत डिजाइन लेकिन अभी भी कई चुनौतियों से ग्रस्त है - सबसे महत्वपूर्ण एक स्थानिक संरचना में कई सेल प्रकारों को शामिल करना है क्योंकि एक जीवित वातावरण गतिशील है और स्थिर नहीं है। इस अध्ययन ने 3डी बायोप्रिंटिंग की उन्नति में योगदान दिया है और उनके सिद्धांतों का पालन करके बहुत सी बाधाओं को दूर किया जा सकता है। यह स्पष्ट है कि बायोप्रिंटिंग की वास्तविक सफलता के साथ कई पहलू जुड़े हुए हैं। सबसे महत्वपूर्ण पहलू जो बायोप्रिंटिंग को सशक्त बना सकता है, वह है प्रासंगिक और उपयुक्त बायोमैटिरियल्स का विकास, प्रिंटिंग के रिज़ॉल्यूशन में वृद्धि और इस तकनीक को चिकित्सकीय रूप से सफलतापूर्वक लागू करने में सक्षम होने के लिए संवहनीकरण भी। बायोप्रिंटिंग द्वारा मानव प्रत्यारोपण के लिए पूरी तरह से काम करने वाले और व्यवहार्य अंगों को 'बनाना' असंभव प्रतीत होता है, लेकिन फिर भी यह क्षेत्र तेजी से प्रगति कर रहा है और कुछ ही वर्षों में बहुत सारे विकास सबसे आगे हैं। बायोप्रिंटिंग से जुड़ी अधिकांश चुनौतियों को दूर करने के लिए इसे प्राप्त किया जा सकता है क्योंकि शोधकर्ता और बायोमेडिकल इंजीनियर पहले से ही सफल जटिल बायोप्रिंटिंग की राह पर हैं।

बायोप्रिंटिंग के साथ कुछ मुद्दे

बायोप्रिंटिंग के क्षेत्र में उठाया गया एक महत्वपूर्ण बिंदु यह है कि इस तकनीक का उपयोग करने वाले रोगियों को दिए जा रहे किसी भी जैविक 'व्यक्तिगत' उपचार की प्रभावकारिता और सुरक्षा का परीक्षण करना इस स्तर पर लगभग असंभव है। साथ ही, ऐसे उपचारों से जुड़ी लागत एक बड़ा मुद्दा है, खासकर जहां विनिर्माण का संबंध है। यद्यपि कार्यात्मक अंगों को विकसित करना बहुत संभव है जो मानव अंगों को प्रतिस्थापित कर सकते हैं, लेकिन फिर भी, वर्तमान में यह आकलन करने का कोई मूर्खतापूर्ण तरीका नहीं है कि रोगी का शरीर नए ऊतक या कृत्रिम अंग को स्वीकार करेगा या नहीं और क्या ऐसे प्रत्यारोपण सफल होंगे या नहीं सब।

बायोप्रिंटिंग एक बढ़ता हुआ बाजार है और यह ऊतकों और अंगों के विकास पर ध्यान केंद्रित करेगा और शायद कुछ दशकों में 3 डी प्रिंटेड मानव अंगों और प्रत्यारोपण में नए परिणाम देखे जाएंगे। 3डी bioprinting हमारे जीवनकाल का सबसे महत्वपूर्ण और प्रासंगिक चिकित्सा विकास बना रहेगा।

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स्रोत (रों)

Hedegaard CL 2018. पेप्टाइड-प्रोटीन बायोइंक की हाइड्रोडायनामिक रूप से निर्देशित पदानुक्रमित स्व-संयोजन। उन्नत कार्यात्मक सामग्री. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716