Name: building artificial tissue with biomaterials
Uploaded: 2023-04-30T06:32:11.000Z
Duration: 6 min 51 s
Channel: JoVE

<div class="chapter_text" id="script_0">הנדסת רקמות הוא תחום של רפואה רגנרטיבית המשתמש בתאים, ביו-חומרים ומולקולות פעילות ביולוגית כדי ליצור, לתקן או להחליף רקמות. הרקמה הטבעית מורכבת מרכיב מבני, מטריצה חוץ תאית, או ECM, והתאים הספציפיים לרקמות המאכלסים אותו. רקמות מהונדסות שואפות להידמות לרקמה טבעית קרוב ככל האפשר, באמצעות רכיבים מבניים טבעיים או מהונדסים ותאים ספציפיים לרקמות. וידאו זה יציג את התחום של הנדסת רקמות, להדגים כמה טכניקות ואתגרים נפוצים בתחום, ולהציג כמה יישומים של טכנולוגיה זו.</div><div class="chapter_text" id="script_1">ראשית, בואו נסתכל על הרכיבים הטיפוסיים של רקמות מהונדסות. הרקמה נוצרת על ידי יצירת פיגום תחילה באמצעות ביו-חומרים. פיגום הרקמה נועד לספק מבנה ולחקות את ה- ECM הטבעי. פיגום הרקמה יכול לקחת מורפולוגיות רבות ושונות, כגון מחצלת סיבים, או הידרוג'ל, בהתאם לסוג הרצוי של רקמה. בכל מקרה, הביו-חומרים המשמשים חייבים לקדם הידבקות תאים ואינטראקציה רצויה עם התא. לחלופין, פיגום decellularized מאיבר תורם יכול לשמש גם כדי לספק מבנה לרקמה החדשה. הרכיב הבא הוא התאים. כל הרקמות משתמשות בתאים חיים, המגדירים את סוג הרקמה. לדוגמה, פיברובלסטים משמשים לייצור עור, וכונדרוציטים משמשים לייצור סחוס. התאים המשמשים ברקמה מהונדסת יכולים להגיע ממספר מקורות. תאים ראשוניים מופקים מרקמה מקורית, אשר דורש כי הרקמה המקומית טחון מתעכל עם אנזים כדי לשחרר את התאים. לחלופין, ניתן להשתמש בתאים משניים, הזמינים מבנק סלולרי. עם זאת, תאים אלה אינם ספציפיים למטופל ועלולה לגרום לדחייה. לבסוף, תאי גזע יכולים לשמש גם, שהם תאים לא מופקים המסוגלים להוליד צורות שונות של תאים מיוחדים, או לשכפל את עצמם. כדי ליצור את הרקמה, התאים שנבחרו נזרעים על פיגום הרקמה, יחד עם גורמי גדילה הכרחיים לעידוד היווצרות רקמות. הפיגומים המושרשים מורשים לגדול בתרבות סטטית. לחלופין, כורים מיוחדים תרבית רקמות ניתן להשתמש כדי לזרוע ולגדל את הרקמה המהונדסת.</div><div class="chapter_text" id="script_2">כעת, לאחר שהוצגו הרכיבים של הרקמה המהונדסת, בואו נבחן כמה שיטות נפוצות המשמשות בתחום. ייצור של פיגום הרקמה יכול להיות הגורם הקריטי ביותר בקביעת התכונות המכניות של הרקמה. מורפולוגיה פיגומים פופולרית היא פיגום אלקטרו-סעפון, שהוא מחצלת של סיבים בקנה מידה מיקרו. Electrospinning נעשה על ידי החלת מתח בין צלחת אוסף לבין קצה מזרק המכיל את הביו-חומרים. זה יוצר מיקרופייברים, אשר מותר לאסוף עד המחצלת מגיעה לדרישות הדרושות עבור הפיגומים. זה חייב להיות micropores מחוברים כדי לאפשר לתאים וחומרים מזינים לנדוד פנימה; שטח פנים נאות כדי לקדם הידבקות תאים; ומאפיינים מכניים התואמים לרקמה המקומית. לאחר מכן, טכניקה מרכזית המשמשת לגידול רקמות היא כור תרבית רקמות. פיגומי רקמות נזרעים לעתים קרובות עם תאים באמצעות טכניקות טיפה או טביעה, ומותר להם לגדול בתרבית קיפאון. עם זאת, רקמה טבעית, כגון כלי דם, לגדול תחת גירוי מכני. כורים תרבית רקמות שואפים לחקות תנאים פיזיולוגיים, כגון זרימת הפועם בעורקים, על מנת להשפיע על ההתנהגות והצמיחה של תאי אנדותל ושרירים בעורק.</div><div class="chapter_text" id="script_3">עם זאת, ישנם אתגרים רבים הניצבים בפנינו בתחום זה. המגבלה העיקרית של רקמה מהונדסת במבחנה היא היעדר מערכות כלי דם. רקמות טבעיות בעלות כלי דם, המספקים חומרים מזינים ומסירים פסולת. עם זאת, רקמה מהונדסת מסתמכת במידה רבה על דיפוזיה, אשר מגבילה את אספקת החומרים המזינים ואת גודל הרקמות. אסטרטגיה אחת לכלי דם מתמקדת בשימוש בפיגומים סינתטיים עם כלי דם מובנה, אשר יכול לסייע באספקת חומרים מזינים לרקמה. למרות היתרונות של רקמה מהונדסת הם מרחיקי לכת, קשה לייצר רקמה בקנה מידה גדול מספיק לשימוש קליני. לצורך ההשתלה, יש לקצור תחילה את התאים מהמטופל ולאחר מכן להרחיבם ולתרבות על פיגום. זה ידרוש מערכות תרבית תאים נפרדות לכל מטופל. בנוסף לכמות הזמן המשמעותית הנדרשת לצעדים אלה, האתגרים הרגולטוריים והעלויות הגבוהות מקשים על יישום רחב בשלב זה.</div><div class="chapter_text" id="script_4">עכשיו שראיתם כמה מהשיטות והאתגרים הנוכחיים של הנדסת רקמות, בואו נסתכל על כמה יישומים של הטכנולוגיה. הנדסת רקמות יכולה לשמש פצע כרוני או ריפוי כוויות. שיטה אחת היא להשתמש בפיגום רקמה המכיל גורמי גדילה אך ללא תאים. המטריצה המוקלרית מקדמת את נדידת התאים ומעודדת צמיחת רקמות. לחלופין, עבור פצעים עמוקים, מטריצה המכילה תאים, אשר משתלב ברקמת המארח. בסופו של דבר, החוקרים שואפים להיות מסוגלים להחליף באופן מלא איברים פגומים. נכון לעכשיו, זה ניגש באמצעות תרבות איברים. ראשית, האיבר התורם, כגון ריאה במקרה זה, הוא decellularized ואת המבנה הטבעי שלה נשמר, אז הריאה הוא recellularized עם תאים מהמטופל. זה יגביל את הדחייה ואת הצורך בהתאמת תורם.</div><div class="chapter_text" id="script_5">הרגע צפית בסקירה של ג'וב על הנדסת רקמות. עכשיו אתה צריך להכיר כמה מושגים בסיסיים ושיטות בתחום, כמו גם כמה אתגרים ויישומים מרכזיים. תודה שצפיתם.</div>

סקירה כללית של הנדסת רקמות

הנדסת רקמות שואפת ליצור רקמה מלאכותית מביו-חומרים, תאים ספציפיים וגורמי גדילה. מבנים אלה רקמות מהונדסות יש יתרונות מרחי לכת, עם אפשרויות להחלפת איברים ותיקון רקמות.
וידאו זה מציג את תחום הנדסת הרקמות ובוחן את מרכיבי הרקמה המהונדסת. סרטון זה מתאר גם כמה שיטות בולטות המשמשות ליצירת פיגום הרקמה, הצגת אוכלוסיית תאים ועידוד צמיחה והתפשטות. לבסוף, כמה אתגרים מרכזיים ויישומים חשובים של הטכנולוגיה מוצגים.

Tissue engineering&#160;aims to create artificial tissue from biomaterials, specific cells, and growth factors. These engineered tissue constructs have ...

הנדסת רקמות היא תחום של רפואה רגנרטיבית המשתמש בתאים, ביו-חומרים ומולקולות פעילות ביולוגית כדי ליצור, לתקן או להחליף רקמות. רקמה טבעית מורכבת ממרכיב מבני, המטריצה החוץ-תאית, או ECM, והתאים הספציפיים לרקמה המאכלסים אותה. רקמה מהונדסת שואפת להידמות לרקמה טבעית ככל האפשר, תוך שימוש ברכיבים מבניים טבעיים או מהונדסים ותאים ספציפיים לרקמה. סרטון זה יציג את תחום הנדסת הרקמות, ידגים כמה טכניקות ואתגרים נפוצים בתחום, ויציג כמה יישומים של טכנולוגיה זו. ראשית, בואו נסתכל על המרכיבים האופייניים של רקמה מהונדסת. הרקמה נוצרת על ידי יצירת פיגום באמצעות חומר ביולוגי. פיגום הרקמות נועד לספק מבנה ולחקות את ה-ECM הטבעי. פיגום הרקמות יכול לקחת מורפולוגיות רבות ושונות, כגון מחצלת סיבים, או הידרוג'ל, בהתאם לסוג הרקמה הרצוי. בכל מקרה, החומר הביולוגי המשמש חייב לקדם הידבקות תאים ואינטראקציה רצויה בין התאים. לחלופין, פיגום נטול תאים מאיבר תורם יכול לשמש גם כדי לספק מבנה לרקמה החדשה. המרכיב הבא הוא התאים. כל הרקמות משתמשות בתאים חיים, המגדירים את סוג הרקמה. לדוגמה, פיברובלסטים משמשים לייצור עור, וכונדרוציטים משמשים לייצור סחוס. התאים המשמשים ברקמה מהונדסת יכולים להגיע מכמה מקורות. תאים ראשוניים מופקים מרקמה טבעית, מה שדורש שהרקמה המקומית תטחון ותתעכל עם אנזים כדי לשחרר את התאים. לחלופין, ניתן להשתמש בתאים משניים, הזמינים מבנק תאים. עם זאת, תאים אלה אינם ספציפיים למטופל ויכולים לגרום לדחייה. לבסוף, ניתן להשתמש גם בתאי גזע, שהם תאים לא ממוינים המסוגלים להוליד צורות שונות של תאים מיוחדים, או לשכפל את עצמם. כדי ליצור את הרקמה, התאים שנבחרו נזרעים על פיגום הרקמה, יחד עם גורמי גדילה נחוצים לעידוד היווצרות רקמות. לאחר מכן נותנים לפיגומים הזרעים לצמוח בתרבות סטטית. לחלופין, ניתן להשתמש בכורים מיוחדים לתרבית רקמה כדי לזרוע ולגדל את הרקמה המהונדסת. כעת, לאחר שהוצגו מרכיבי הרקמה המהונדסת, בואו נסתכל על כמה שיטות נפוצות המשמשות בתחום. ייצור פיגום הרקמה יכול להיות הגורם הקריטי ביותר בקביעת התכונות המכניות של הרקמה. מורפולוגיה פופולרית של פיגומים היא פיגום האלקטרוספון, שהוא מחצלת של סיבים בקנה מידה מיקרו. אלקטרוספינינג נעשה על ידי הפעלת מתח בין לוחית איסוף לקצה המזרק המכיל את החומר הביולוגי. זה יוצר מיקרופייבר, שמותר להצטבר עד שהמחצלת מגיעה לדרישות הדרושות לפיגום. הוא חייב להיות בעל מיקרו-נקבוביות מחוברות זו לזו כדי לאפשר לתאים ולחומרי מזון לנדוד פנימה; שטח פנים הולם לקידום הידבקות התאים; ותכונות מכניות התואמות את הרקמה הטבעית. לאחר מכן, טכניקה מרכזית המשמשת לגידול רקמות היא כור תרבית רקמות. פיגומי רקמה נזרעים לעתים קרובות עם תאים באמצעות טכניקות טיפות או טבילה, ומאפשרים להם לצמוח בתרבית עומדת. עם זאת, רקמות טבעיות, כגון כלי דם, גדלות תחת גירוי מכני. כורי תרבית רקמה שואפים לחקות תנאים פיזיולוגיים, כגון זרימה פועמת בעורקים, על מנת להשפיע על ההתנהגות והצמיחה של תאי אנדותל ושריר בעורק. עם זאת, ישנם אתגרים רבים העומדים בפני תחום זה. המגבלה העיקרית של רקמות מהונדסות במבחנה היא היעדר מערכות כלי דם. לרקמות טבעיות יש כלי דם, המספקים חומרים מזינים ומסירים פסולת. עם זאת, רקמה מהונדסת מסתמכת במידה רבה על דיפוזיה, מה שמגביל את אספקת החומרים המזינים ואת גודל הרקמה. אסטרטגיה אחת לכלי דם מתמקדת בשימוש בפיגומים סינתטיים עם כלי דם מובנים, שיכולים לסייע באספקת חומרים מזינים לרקמה. למרות שהיתרונות של רקמה מהונדסת הם מרחיקי לכת, קשה לייצר רקמה בקנה מידה גדול מספיק לשימוש קליני. לצורך ההשתלה, תחילה יש לקצור תאים מהמטופל ולאחר מכן להרחיב אותם ולתרבית אותם על פיגום. זה ידרוש מערכות תרבית תאים נפרדות לכל חולה. בנוסף לכמות הזמן המשמעותית הנדרשת לצעדים אלה, האתגרים הרגולטוריים והעלויות הגבוהות מקשים על יישום זה באופן נרחב בשלב זה. כעת, לאחר שראיתם כמה מהשיטות והאתגרים הנוכחיים של הנדסת רקמות, בואו נסתכל על כמה יישומים של הטכנולוגיה. ניתן להשתמש בהנדסת רקמות בריפוי פצעים כרוניים או כוויות. שיטה אחת היא להשתמש בפיגום רקמות המכיל גורמי גדילה אך ללא תאים. המטריצה נטולת התאים מקדמת את נדידת התאים ומעודדת צמיחת רקמות. לחלופין, עבור פצעים עמוקים, ניתן להשתמש במטריצה המכילה תאים, המשתלבת ברקמת המארח. בסופו של דבר, החוקרים שואפים להיות מסוגלים להחליף באופן מלא איברים פגומים. נכון לעכשיו, ניגשים לכך באמצעות תרבית איברים. ראשית, האיבר התורם, כמו ריאה במקרה זה, עובר דה-סלולריזציה והמבנה המקורי שלו נשמר, ואז הריאה עוברת תאים עם תאים מהמטופל. זה יגביל את הדחייה ואת הצורך בהתאמה של תורם. זה עתה צפיתם בסקירה של ג'וב על הנדסת רקמות. כעת עליך להכיר כמה מושגים ושיטות בסיסיות בתחום, כמו גם כמה אתגרים ויישומים מרכזיים. תודה שצפית.

Education

JoVE Science Education

Engineering

הנדסה

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

Overview of Tissue Engineering

building artificial tissue with biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement.

The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication.

The video also outlines common methods used to create the scaffold and introduce a cell population. It highlights the main challenges in making engineered tissue. It also shows important applications of the technology in medicine.

Building Artificial Tissue with Biomaterials

building-artificial-tissue-with-biomaterials

overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

This collection covers core bioengineering concepts, which include production of biomaterials, histotypic and whole organ tissue cultures, bioprocessing techniques, and the complex system-level fields of bioMEMs and biosensing.


Explore how tissue engineering uses biomaterials, cells, and growth factors to build artificial tissue for repair, organ replacement, and medical applications.

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Description

Transcript