3D-tulostettu iho: lupaava vaihtoehto eläinkokeille kosmetiikassa

Useimmat ihmiset eivät koskaan ota huomioon arkipäivän tuotteisiin, kuten kosmetiikkaan, liittyvän tutkimuksen ja testauksen määrää. Uusien sävyjen ja värien tutkimuksesta ja kehittämisestä aina turvallisuustestaukseen asti kosmetiikkateollisuus on huippuluokan ala, joka luottaa useisiin menetelmiin varmistaakseen tuotteidensa turvallisuuden. Näin yksi insinööritiimi pyrkii vähentämään eläinkokeita markkinoilla ottamalla käyttöön 3D-tulostetun elävän ihon.

Miksi eläinkokeita käytetään edelleen kosmetiikkateollisuudessa

Aiemmin eläinkokeet olivat ensisijainen tapa, jolla kosmetiikka tai lääketieteen tutkijat pystyivät testaamaan tuotteitaan elävillä olennoilla. Alkuaikoina nämä testit olivat yhtä yksinkertaisia ​​kuin tuotteen asettaminen eläimelle ja käyttäytymisen seuranta.

Viime vuosisadan aikana eläinkokeet ovat lisänneet kykyjä jyrkästi. Tutkijat voivat kasvattaa ihmiselimiä ja muita tärkeitä ruumiinosia muille eläville olennoille parantaakseen testauksen tarkkuutta.

Lisäksi kehittynyt tietokonemallinnus mahdollistaa simulaatiotestien suorittamisen. Tämä lähestymistapa on edullisempi, nopeampi ja tarkempi kuin eläinkokeet useimmissa skenaarioissa. Näistä edistysaskelista huolimatta monet kosmetiikka- ja lääketieteelliset yritykset luottavat tuotteidensa eläinkokeisiin.

Eläinkokeiden eettiset ja tieteelliset ongelmat

Eläinkokeissa on joitain ilmeisiä eettisiä ongelmia. Ensinnäkin näitä koehenkilöitä kohtaan on ollut pitkä historia huonosta kohtelusta ja julmuudesta. Nämä huolenaiheet nousivat kiihkeästi vuonna 2010.

Tuolloin EU otti käyttöön joukon eläinkokeita koskevia rajoituksia, joiden yleinen tavoite on poistaa käytäntö vaiheittain tulevina vuosina. Onneksi ryhmä innovatiivisia insinöörejä on saattanut keksiä toimivan ratkaisun.

Kuinka 3D-tulostettu iho voisi korvata eläinkokeet laboratorioissa

Tutkimus "Protokolla itsenäisten (nano)selluloosapohjaisten 3D-telineiden valmistamiseksi kudostekniikkaa varten"¹ perehtyy uuteen 3D-tulostusmenetelmään, jossa räätälöity muste yhdistetään patentoituun tulostustekniikkaan elävän jäljitelmäihon luomiseksi.

Tämän keinotekoisesti kasvatetun ihon ansiosta insinöörit voivat tulevaisuudessa suorittaa in vitro -testejä, kuten nanohiukkasten imeytymisen ja toksisuuden mittaamista kosmetiikasta ja lääkkeistä, ilman eläinkokeita.

3D-telineiden käyttö ihmisen ihosolujen kasvattamiseen testausta varten

Grazin teknillisen yliopiston (TU Graz) ja intialaisen Vellore Institute of Technologyn (VIT) tutkijat käyttävät patentoitua 3D-tulostinta ja komponentteja luodakseen huokoisia telineitä, jotka on valmistettu nanoselluloosamateriaalista. Nämä 3D-telineet ovat nyt kriittinen osa testausteollisuutta.

Mikä tekee 3D-tulostetusta ihosta käyttökelpoisen testausalustan

3D-telineillä on joitain selkeitä etuja vaihtoehtoihin verrattuna, kun puhutaan eläinkokeista. Ensinnäkään eläimiä ei vahingoiteta. Lisäksi se voi jäljitellä tarkasti ekstrasellulaarista matriisia (ECM). Tämän ominaisuuden ansiosta insinöörit voivat kasvattaa erilaisia ​​soluja, jotka kypsyvät ikään kuin ne olisivat kehon sisällä, jolloin insinöörit voivat testata tuotteitaan ja hoitojaan tehokkaasti.

Toisin kuin muut solunkasvatusmenetelmät, 3D-telineet tarjoavat rakenteellista tukea ja mukauttamista. Esimerkiksi 3D-telineiden insinöörit voivat mukauttaa huokosrakenteita, biologista yhteensopivuutta ja muita tärkeitä yksityiskohtia, kuten kykyä tukea nisäkässolujen adheesiota ja proliferaatiota.

Tiimi päätti käyttää kasviperäisiä resursseja osana lähestymistapaansa. He tiesivät, että he halusivat saavuttaa korkean mekaanisen lujuuden ja laajan pinnan nanomittakaavassa. Pitkän tutkimuksen jälkeen he päättivät, että nanofibrilloidun selluloosan (NFC), karboksimetyyliselluloosan (CMC) ja sitruunahapon (CA) yhdistelmä tarjoaisi heidän toivomaansa synergististä lähestymistapaa.

3D-tulostin ja työkalut synteettisten ihotelineiden luomiseen

Erityisesti tiimi valitsi BioScaffolder 3.1 3D-tulostimen, jossa on räätälöity tulostussuutin. Tämän jälkeen suunnittelijat ohjelmoivat tärkeitä yksityiskohtia, kuten paineen ja säikeen etäisyyden, käyttämällä GeSiM Robotics BS3.1/3.2 -ohjelmistoa. Tässä järjestelyssä annostelupaine oli asetettu alueelle 220 kPa–260 kPa, säikeen etäisyys 500 μm–900 μm ja säikeen korkeus 0.2 mm.

Tiedemies valitsi tulostusnopeudeksi 15 mm/s ja Z-offsetin 0.0 mm. Tämä strategia toimi hyvin hydrogeelin korkean vesipitoisuuden kanssa. Tämä korkea vesipitoisuus on myös ihanteellinen ympäristö solujen kasvulle, mutta se vaikeuttaa tulostamista.

Lisätyn hydratoitumisen torjumiseksi insinöörit loivat selluloosajohdannaisen, jossa oli karboksyyliryhmiä. Tämä kemikaali paransi vedenpidätystä ja adheesiota. Se paransi myös vedenpidätyskykyä, silloitusta, rajapintojen tarttumista ja ionisten silloitusten kapasiteettia, mikä teki siitä ihanteellisen lisäaineen kudostekniikan rakenteisiin. Erityisesti sitruunahappo toimii luonnollisena silloittajana ja kovalenttisen sidoksen tehostajana, joka auttaa stabiloimaan telinerakennetta säilyttäen samalla biologisen yhteensopivuuden.

Pakastekuivausprosessi 3D-tulostettujen telineiden stabilointiin

Pakastekuivaus oli toinen menetelmä, jota käytettiin ei-toivotun hydraation poistamiseen hydrogeelissä. Tämä menetelmä on ihanteellinen, koska se poistaa ylimääräisen veden ja säilyttää huokoisen rakenteen ehjänä. Äkillinen lämpötilan lasku lisää myös karboksyyli- ja hydroksyyliryhmien silloittumista.

Lähde – Manisha Sonthalia – Vellore Institute of Technology

Nanoselluloosapohjainen biomuste: Koostumus ja rooli biotulostuksessa

Osa uudesta 3D-tulostusmenetelmästä perustuu nanoselluloosamusteen käyttöön. Tämä muste yhdistää nanofibrilloitua selluloosaa (NFC), karboksimetyyliselluloosaa (CMC) ja sitruunahappoa (CA). Sitruunahappo toimii lopullisena sideaineena liuoksessa. Erityisesti insinöörit loivat 4 mustemuunnelmaa testausta varten.

Kuinka 3D-tulostetut telineet jäljittelevät todellista ihmisen ihoa

Optimoidusta hydrogeelistä valmistetulla 3D-painetulla rakenteella oli monia yhtäläisyyksiä ihmisen ihon kanssa. Esimerkiksi sillä oli sama 3-kerroksinen rakenne ja elävät solutyypit. Alkuiho voidaan kuitenkin luoda jäljittelemään monenlaisia ​​ihotyyppejä ja vaivoja elävillä soluilla. Sillä on myös sama biomekaniikka kuin ihmisen iholla.

Hydrogeelit kudostekniikassa: solujen kasvun tukeminen

Ryhmä aloitti erityisen hydrogeelin luomisella, joka pystyy olemaan vuorovaikutuksessa elävien solujen kasvun kanssa ja viljelemään sitä. Ryhmä testasi useita seoksia, kunnes löysi yhden, joka osoitti parempaa mekaanista stabiilisuutta ja vastustuskykyä hydrolyyttiselle hajoamiselle.

Elävien solujen biotulostus kosmeettiseen ja lääketieteelliseen testaukseen

Insinöörit totesivat, että elävien solujen 3D-tulostus voisi kasvaa, kypsyä ja selviytyä hydrogeeliliuoksessa 3 viikkoa samalla kun kehitetään elävää ihokudosta. Ryhmä saavutti elävien solujen kasvun käyttämällä silloitusmenetelmiä stabilointiin. Erityisesti vaarallisia sytotoksisia kemikaaleja ei tarvinnut käyttää. Lisäksi jälkikäsittelytehtäviä väheni.

Kuinka tukirakenteet neutraloidaan turvallista soluviljelyä varten

Insinöörit ottivat 3D-telineet, pinnoittivat sen natriumhydroksidilla ja huuhtelivat sen sitten perusteellisesti. Tämä vaihe oli ratkaiseva sen varmistamiseksi, että kaikki jäännösalkalit poistettiin. Tämä vaihe vaatii myös 60 minuutin liotuksen täyden neutraalisuuden varmistamiseksi.

3D-tulostettujen ihorakenteiden elinkelpoisuuden testaus

Insinöörit suorittivat useita testejä varmistaakseen, että heidän tulostamansa solut kypsyivät ja olivat tarkkoja. Ryhmä tutki solujen kasvua ja kypsymistä ensimmäisenä askeleena. Erityisesti he halusivat määrittää, olivatko solut täsmälleen samanlaisia ​​kuin kehosta löydetyt solut vai oliko niissä yksityiskohtaisia ​​eroja, jotka tekisivät niiden käyttämisestä testaamiseen vanhentuneita.

3D-tulostetun ihon mekaaninen stabiilius ja bioyhteensopivuus

Testaus osoitti, että rakenne on joustava ja erittäin vakaa käytetyn patentoidun hydrogeelin ansiosta. Uuden painomenetelmän tärkeimmät ominaisuudet ovat, että silloitetut materiaalit ovat sytotoksisia ja mekaanisesti stabiileja.

Lisäksi todettiin, että alhaisemmat lämpötilat ja lyhyemmät tai pidemmät silloitusajat vaikuttavat silloitusprosessiin. TU Grazin tutkijat panivat merkille, että he voisivat vähentää silloitusnopeutta saavuttaakseen muutoksia telineen fysikaalis-kemiallisissa ominaisuuksissa

3D-tulostetun ihon edut eläinkokeiden vähentämisessä

Tällä tutkimuksella on useita etuja markkinoille. Ensinnäkin on helppo kuvitella eläinkokeiden vanhentuvan. Ei ole mitään syytä testata eläimillä, kun on olemassa edullisempi ja tehokkaampi menetelmä. Lisäksi näiden tietojen pitäisi auttaa yrityksiä siirtymään eläinkokeista laboratoriossa kasvatettujen elävien solujen 3D-tulostukseen.

Milloin 3D-tulostettua ihoa käytetään kosmeettisissa testauksissa?

Tällä tekniikalla on monia sovelluksia, jotka voivat auttaa pelastamaan sekä ihmisten että eläinten henkiä. Tämän tekniikan ilmeinen sovellus on kosmeettisissa ja lääketieteellisissä testauksissa. 3D-tulostetun ihon käyttö tekee eläinkokeista vähemmän houkuttelevan vaihtoehdon tulevaisuudessa.

Tämä räätälöitävä iho voidaan tehdä jäljittelemään monenlaisia ​​​​ihotyyppejä ja -paikkoja. Sellaisenaan se tarjoaa ihanteellisen testausratkaisun tutkijoille, jotka haluavat seurata tuotteidensa vaikutuksia kehoon. Tällä tavalla nämä tiedot tarjoavat kurkistuksen puitteisiin, joilla kehitetään monipuolisia ja kestäviä biomateriaaleja regeneratiiviseen lääketieteeseen.

Biotulostus avaruudessa: tulevaisuuden käyttötapaukset ihmisten terveydelle

Toinen näiden edistyneiden ihmissolujen kasvuprojektien käyttötapa on auttaa laajentamaan tähtienvälisten tutkijoiden ulottuvuutta. Tulevaisuudessa avaruustutkimukset edellyttävät ihmisten matkustamista Maasta eivätkä luultavasti koskaan palaa takaisin.

Osana selviytymisstrategiaansa heidän on kyettävä tarjoamaan riittävä terveydenhuolto miljoonien kilometrien päässä kotoa. 3D-tulostimen käyttöä pidetään parhaana ratkaisuna tähän ongelmaan. Tulevaisuuden astronautit voivat luottaa 3D-tulostettuihin elimiin, ihoon ja muihin kehon osiin kestääkseen tehtävänsä loppuun asti.

3D-tulostusskin käyttö testaukseen voi alkaa seuraavan 3-5 vuoden sisällä, koska tälle tekniikalle on kova kysyntä. Täydellisten elinten tulostamistavoite on kuitenkin vielä 10-20 vuoden päässä, koska tekniikan sekä tieteelliset, lääketieteelliset että juridiset näkökohdat on yhdenmukaistettava.

Tutkijat 3D-tulostetun ihon läpimurron takana

Tätä tutkimusta johti innovatiivisten tutkijoiden ryhmä Grazin teknillisestä yliopistosta (TU Graz) ja Vellore Institute of Technologysta (VIT) Intiasta. Erityisesti artikkelissa mainitaan Tamilselvan Mohan, Matej Bračič, Doris Bračič, Florian Lackner, Chandran Nagaraj, Andreja Dobaj Štiglic, Rupert Kargl, Karin ja Stana Kleinschek osallistujina työhön.

Mitä seuraavaksi 3D-tulostetulle iholle lääketieteellisessä ja kosmeettisessa testauksessa

Nyt tiimi keskittyy optimoimaan hydrogeelin ja musteen suunnittelua, jotta se olisi nopeampi, luotettavampi ja edullisempi. He myös kokeilevat erilaisia ​​sekoituksia ja lähestymistapoja löytääkseen optimaalisen tasapainon kustannusten, painettavuuden, rakenteellisen eheyden ja biologisen suorituskyvyn välillä.

Bioprinting-teknologiaa kehittävä julkinen yhtiö

Biotulostusalalla on useita yrityksiä. Näillä yrityksillä on monenlaisia ​​tehtäviä aina ohjelmistotuen tarjoamisesta edistyneiden 3D-tulostusasettelujen kehittämiseen laitteisto- ja tulostinvalmistajiin. Jokaisella näistä yrityksistä on tärkeä rooli markkinoilla. Tässä on yksi yritys, joka pysyy huippusuorittajana lähitulevaisuudessa.

3D-järjestelmät

Harvalla yrityksellä on vaikutusvaltaa ja mainetta biotulostusalalla 3D-järjestelminä (DDD -1.91%). Tämä yritys kääntyi ensimmäisen kerran biopainatussektoriin vuonna 2017 yhdistätyään voimansa toisen markkinajohtajan United Therapeuticsin kanssa. Siitä lähtien se on ollut ratkaisevassa asemassa tärkeiden komponenttien, kuten biomusteiden ja muiden laitteistojen, toimittamisessa markkinoille.

Nykyään 3D-järjestelmillä on keskeinen rooli lääkekehityksen ja -tutkimuksen aloilla. Sitä pidetään yhtenä suurimmista 3D-tulostusyrityksistä tulojen ja markkina-arvojen perusteella. Lisäksi yhtiö jatkaa yritysostojen tekemistä markkina-aseman parantamiseksi. Tarkemmin sanottuna se osti biopainatusyrityksen Allevin varustaen sen tekniset valmiudet.

Luotettavaa ja todistettua biotulostusmateriaalia etsivien tulisi tutkia enemmän 3D-järjestelmiä. Yhtiö on saavuttanut maineen innovaattorina ja sillä on laaja yhteistyökumppaneiden ja sijoittajien verkosto, joka tukee sen tutkimusta, mukaan lukien yrityksen tavoite kasvattaa jonain päivänä kokonaisia ​​ihmiselimiä. Vaikka tämä tavoite saattaa olla vielä muutaman vuoden päässä, tämä tutkimus auttaa epäilemättä nopeuttamaan asioita.

Uusimmat 3D-järjestelmistä

3D Printed Living Skin – Healing Meets Tech

Sinun täytyy kiittää TU Grazia ja Vellore Institute of Technologya Intiassa 3D-tulostetun ihonsa kehittämisestä. Tämä päivitetty menetelmä voisi auttaa aloittamaan aikakauden, jossa eläinkokeita ja tehokkaampia lääkkeitä ei tarvita. Toistaiseksi tämä tutkimus tulee nähdä toivon säteenä eläinaktivisteille, lääketieteen ammattilaisille ja koko kosmetiikkateollisuudelle.

Opi muista hienoista Biotechin läpimurroista tätä.

Viittaustutkimukset:

^{1. Mohan, T., Bračič, M., Bračič, D., Lackner, F., Nagaraj, C., Dobaj Štiglic, A., Kargl, R., & Stana Kleinschek, K. (2025). Protokolla itsenäisten (nano)selluloosapohjaisten 3D-telineiden valmistamiseksi kudostekniikkaa varten. STAR-protokollat, 6(2), 103583. https://doi.org/10.1016/j.xpro.2024.103583}