Ανάπτυξη, σχεδίαση και κατασκευή υποδομών τρισδιάστατης εκτύπωσης εμφυτευμάτων από σύνθετα προηγμένα υλικά με βιοτεχνολογικές εφαρμογές

Abstract

Implementation of 3D printing technologies today is at a mature stage for a variety of new applications in the field of biotechnology and the use of new advanced materials, providing new possibilities to the global research community. These applications are linked both to biomedicine, pharmacology, tissue engineering, etc., as well as the indirect impact on the lives of people and animals, such as food technology and its uses, in the packaging of products from the industry with new bioactive properties protecting them from degradation and extension of their shelf life. In biomedicine and specifically in research related to tissue development, the use of 3D printing technologies is of high significance, with a multitude of efforts seeking new smart materials, their printability, but also the morphology of the printed products, their properties and interaction with the recipient's biology for success during applications in current cutting-edge research. Thus, the study of the use of space-networks or scaffolds both in 3D and 2D forms (e.g. meshes) is the cutting edge of research in tissue engineering, whether that concerns soft or hard tissue. The materials and their morphology are the main factors for the success of these applications, with materials from all categories being explored, investigating whether they exhibit biocompatibility, concurrently being atoxic and friendly to the environment of the respective tissue. To that end, morphological models are still being studied, in the form of simple cubes consisting of cubic voids, simulating the porosity of bones, or more complex ones with a complex mathematical expression exemplifying formation of complex surfaces in space. Construction of such scaffolds, however, faces a multitude of problems concerning both the biocompatibility conditions of the materials used and their structural integrity when applied in in vivo situations, but also their biological behavior in facilitating the growth of new tissue. In the food sector, the synthesis of new packaging and support composite materials with antimicrobial properties that on one hand protect the contents from deterioration and on the other they are safe to the consumer constitutes cutting-edge research in food technology. Development of materials for manufacturing films that combine the necessary mechanical properties with the bioactive properties and at the same time enable their use in 3D printing applications for fabricating packaging materials is an important goal of research at an international level. Finally, construction and development of micro-flow technology (microfluidics) for studies into the biological behavior of fluids and the effect of flow conditions on bio-applications, through the use of 3D-printing technologies, is at the beginning of a broad field of research in cell studies (differentiation, development, etc.) encompassing among others bioinformatics. Τhe efficiency of experiments that would generally require a large, complex laboratory equipment is sought out through a combination of experimental tools in a single microfluidic chip (lab on a chip), designed with the appropriate form and using controlled fluid inlet and outlet conditions. This technology, is part of the present work, with a reference point being the study, design and construction of microfluidic circuits for biological applications.

Οι τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D printing) είναι πλέον ώριμες για ποικιλία νέων εφαρμογών στον τομέα της βιοτεχνολογίας και στη χρήση νέων προηγμένων (βιο)υλικών, παρέχοντας νέες δυνατότητες στο ερευνητικό γίγνεσθαι. Οι εφαρμογές αυτές σχετίζονται τόσο με τη βιοϊατρική, τη φαρμακολογία, τη μηχανική ιστού, κ.ά., όσο και με την έμμεση επίδραση στη ζωή των ανθρώπων και των ζώων, όπως είναι η τεχνολογία τροφίμων και οι εφαρμογές της στις συσκευασίες των προϊόντων, από τη βιομηχανία, με νέες βιοδραστικές ιδιότητες που θα τα προφυλάσσουν από τις αλλοιώσεις και θα παρατείνουν το χρόνο ζωής τους στο ράφι. Στη βιοϊατρική και ειδικά στην έρευνα που σχετίζεται με την ανάπτυξη ιστού, η χρήση τεχνολογιών 3D printing βρίσκεται στην κορυφή, με πληθώρα εργασιών που σχετίζονται με τα υλικά, τη δυνατότητα εκτύπωσής τους, τη μορφολογία των προϊόντων εκτύπωσης, τις ιδιότητές τους και την αλληλεπίδρασή τους με τη βιολογία του δέκτη ώστε να υπάρχει επιτυχία κατά την εφαρμογή. Έτσι, η μελέτη της χρήσης χωρο-δικτυωμάτων ή ικριωμάτων (scaffolds) τόσο σε 3D όσο και σε 2D μορφή (π.χ. πλέγματα) αποτελεί αιχμή της έρευνας στη μηχανολογία ιστού, είτε αφορά σε μαλακό, είτε σε σκληρό ιστό. Ειδικά, για το σκληρό ιστό των οστών, υπάρχει πλήθος εργασιών που προσεγγίζουν με διάφορους τρόπους το θέμα. Περαιτέρω, μελετώνται μορφολογικά μοντέλα, είτε απλοί κύβοι που αποτελούνται από κυβικά κενά, προσομοιώνοντας το πορώδες των οστών, είτε ποιο σύνθετα με πολύπλοκη μαθηματική έκφραση, που σχηματίζουν σύνθετες επιφάνειες στο χώρο. Η κλίμακα κατά τη σχεδίαση και την εκτύπωση είναι βασική παράμετρος για την προσέγγιση των μοντέλων στην πραγματική φυσιολογία των οστών. Στον τομέα των τροφίμων, η σύνθεση νέων σύνθετων υλικών συσκευασίας και υποστήριξης με αντιμικροβιακές ιδιότητες, οι οποίοι σκοπό έχουν από τη μια να προστατεύουν το περιεχόμενο από τις αλλοιώσεις και από την άλλη να είναι ασφαλή για τον καταναλωτή, βρίσκονται στο κέντρο της έρευνας ανάπτυξης τεχνολογίας τροφίμων. Η ανάπτυξη υλικών για την κατασκευή υμενίων (films) που συνδυάζουν τις απαραίτητες μηχανικές ιδιότητες με τις βιοδραστικές ιδιότητες και ταυτόχρονα καθιστούν δυνατή τη χρήση τους σε 3D printing εφαρμογές για κατασκευή υλικών συσκευασίας αποτελεί σημαντικό στόχο της έρευνας σε διεθνές επίπεδο. Επιπλέον, αναπόσπαστο κομμάτι της έρευνας αποτελεί η ανάπτυξη μεθοδολογιών σύνθεσης των υλικών και η κατασκευή υμενίων με συγκεκριμένο πάχος, με προσθήκη ειδικών βιολογικών παραγόντων, με σκοπό την ανάπτυξη των ιδιοτήτων που αναφέρθηκαν προηγουμένως.Τέλος, η κατασκευή και ανάπτυξη τεχνολογίας μικρο-ροών (microfluidics) για μελέτες βιολογικής συμπεριφοράς ρευστών και την επίδραση των συνθηκών της ροής σε βιοεφαρμογές, με χρήση τεχνολογιών 3D printing, βρίσκεται στην αρχή, σκιαγραφώντας ένα ευρύ πεδίο έρευνας σε κυτταρικές μελέτες (διαφοροποίηση, ανάπτυξη, κ.ά.) αλλά και βιοπληροφορική. Οι τεχνολογίες αυτές μπορούν να λειτουργήσουν επικουρικά στη μελέτη της βιολογικής συμπεριφοράς διαφόρων επινοήσεων σε βιολογικές εφαρμογές, συνδυάζοντας αποτελεσματικότητα με μικρό κόστος. Συνδυάζεται η αποτελεσματικότητα πειραμάτων που θα απαιτούσαν ένα μεγάλο και πολύπλοκο εργαστηριακό εξοπλισμό, σε ένα μόνο microfluidic chip (lab on a chip), σχεδιασμένο με την κατάλληλη μορφή και με χρήση ελεγχόμενων συνθηκών. Η νέα αυτή τεχνολογία, πολλά υποσχόμενη σε ευρύ φάσμα επιστημών, αποτελεί μέρος της παρούσας εργασίας, με σημείο αναφοράς τη μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή μικροροϊκών κυκλωμάτων για βιολογικές εφαρμογές.