Üç boyutlu biyoyazıcı

Üç boyutlu(3B) biyoyazıcılar, özellikle Doku Mühendisliği alanında kullanılan biyomalzemelerin doğal dokuları taklit ederek pek çok sorun için umut vadedici çözümler üreten ileri teknolojik biyomedikal cihazlardır. Genellikle doğal doku özelliklerini taklit etmek, doku benzeri yapılar oluşturmak için biyo-mürekkep olarak bilinen malzemeleri biriktirerek katmanlı üretim metodu kullanılır.

Biyoyazıcılar, ilaçların denenmesi amacıyla doku ve organları basmada kullanılabilir. Buna ek olarak doku iskele baskısı da yapılmaya başlandı. Bu iskeleler, eklemleri ve bağ dokuları yenilemek için kullanılabilir.

Biyo-baskı öncesi, yazıcının oluşturacağı modeli oluşturma ve kullanılacak malzemelerin seçilme işlemidir. İlk adımlardan birini organ biyopsisi almaktır. Biyolojik baskı için kullanılan yaygın teknolojiler, bilgisayarlı tomografi (BT, İngilizce: computed tomography (CT)) ve manyetik rezonans(MR) görüntülemedir. Katmanlı üretim teknolojisi metodu ile yazdırmak için görüntüler üzerinde tomografik yeniden yapılandırma işlemi yapılır. Sonra 2D görüntüler yazıcıya gönderilir. Görüntü oluşturulduktan sonra belirli hücreler izole edilir ve çoğaltılır. Bu hücreler daha sonra onları canlı tutmak için oksijen ve diğer besinleri sağlayan özel sıvılaştırılmış bir malzeme ile karıştırılır.

İkinci adımda, hücre, matris ve biyo-mürekkepler olarak bilinen besinlerin sıvı karışımı bir yazıcı kartuşuna yerleştirilir ve hastaların tıbbi taramaları kullanılarak biriktirilir. 3B biyoyazıcı biyolojik yapıları inşa ederken tipik olarak doku benzeri üç boyutlu yapılar oluşturmak için ardışık katmanlar metodunu kullanarak hücrelerin biyouyumlu bir iskele üzerine dağıtılmasını sağlar. Hücrelerin 3 boyutlu biyo-baskısı için kullanılan yöntemlerden bazıları fotolitografi, manyetik 3 boyutlu biyo-baskı, stereolitografi ve direkt hücre ekstrüzyonudur.

Biyolojik materyalden kararlı bir yapı oluşturmak için biyo-baskı sonrası süreci gereklidir. Bu süreç iyi yapılmazsa, 3B yazdırılan nesnenin mekanik bütünlüğü ve işlevi risk altındadır. Nesneyi korumak için hem mekanik hem de kimyasal uyarılara ihtiyaç vardır. Bu uyarılar, dokuların yeniden şekillenmesini ve büyümesini kontrol etmek için hücrelere sinyaller gönderir.

Son gelişmelerde, biyoreaktör teknolojileri dokuların hızlı olgunlaştığını, damarlandığını ve nakillerde hayatta kalabildiğini göstermiştir. Her biyoreaktör türü farklı doku türleri için idealdir, örneğin kompresyon biyoreaktörleri kıkırdak dokusu için idealdir.

Araştırmacılar, uygun biyolojik ve mekanik özelliklerle inşa edilmiş canlı organlar üretmek için yollar geliştirdiler. 3B biyo-baskı, üç ana yaklaşıma dayanmaktadır: Biyomimikri, kendi kendine otonom birleşme ve mini doku yapı taşları.

Biyo-baskının ilk yaklaşımı biyomimikri olarak adlandırılır. Bu yaklaşımın temel amacı, insan vücudundaki doku ve organlarda bulunan doğal yapıya özdeş fabrikasyon yapılar oluşturmaktır. Biyomimikri, organların ve dokuların şeklinin, yapısının ve mikro ortamının kopyalanmasını gerektirir. Biyo-baskıda biyomimikrinin uygulanması, organların hem aynı hücresel hem de hücre dışı kısımlarının oluşturulmasını içerir. Bu yaklaşımın başarılı olabilmesi için dokuların mikro ölçekte kopyalanması gerekir. Bu nedenle, mikro ortamı, bu ortamdaki biyolojik kuvvetlerin doğasını, hücre tiplerinin tam organizasyonunu, çözünürlük faktörlerini ve hücre dışı matrisin bileşimini anlamak gerekir.

Biyolojik baskının ikinci yaklaşımı, otonom kendi kendine birleşmedir. Bu yaklaşım, ilgili dokuları kopyalamak için bir model olarak embriyonik organ gelişiminin fiziksel sürecine dayanır. Hücreler erken gelişimindeyken, gerekli biyolojik fonksiyonları ve mikro mimariyi sağlamak için kendi hücre dışı matris yapılarını, uygun hücre sinyalizasyonunu ve modellemelerini oluştururlar. Kendi kendine otonom birleşme, embriyonun doku ve organlarının gelişimi hakkında spesifik bilgiler gerektirir. Gelişen dokulara benzemek için füzyon ve hücre düzenlemesine bağlı olan kendi kendine birleşen sferoidleri kullanan "iskelesiz" bir model vardır. Kendi kendine birleşmw, bu dokuların yapı taşlarını, fonksiyonel özelliklerini yönlendiren, histogenezin itiş gücü olan hücreye bağlıdır. Embriyonik doku mekanizmalarının nasıl işlediğine ve biyo-baskılı dokuları oluşturmak için çevrelenmiş mikro çevreye dair daha derin bir anlayış gerektirir.

Biyolojik baskının üçüncü yaklaşımı, mini dokular olarak adlandırılan hem biyomimikri hem de kendi kendine birleşme yaklaşımlarının bir kombinasyonudur. Mini doku yaklaşımı bu küçük parçaları alır ve bunları daha büyük çerçevede üretir.

Sıradan mürekkep yazıcılara benzer şekilde, biyo yazıcıların da üç ana bileşeni vardır. Bunlar kullanılan donanım, biyo-mürekkebin türü ve üzerine basıldığı malzemedir. Biyo-mürekkep, bir sıvı gibi davranan canlı hücrelerden yapılmış bir malzemedir ve insanların istenen şekli oluşturmak için onu 'yazdırmasını' sağlar. Biyo-mürekkep yapmak için, biyo-kağıt olarak bilinen içi jel dolu bir kartuş ile bilim insanlarını yarattıkları canlı hücre bulamaçları özel dizayn edilmiş yazıcının içine koyularak biyo-mürekkep oluşturulur.

Biyolojik baskıda, kullanılan üç ana yazıcı türü vardır. Bunlar mürekkep püskürtmeli yazıcı, lazer destekli yazıcı ve ekstrüzyon yazıcılarıdır. Mürekkep püskürtmeli yazıcılar temel olarak hızlı ve büyük boyuttaki ürünler için kullanılır. Mürekkep püskürtmeli adı verilen yazıcı, malzemeleri tam miktarlarda yazdırarak maliyeti ve atığı en aza indirir. Lazer kullanan yazıcılar yüksek çözünürlüklü baskı sağlar; ancak bu yazıcılar genellikle pahalıdır. Ekstrüzyon yazıcıları, 3B yapılar oluşturmak için 3B baskıda olduğu gibi hücreleri katman katman yazdırır. Hücrelere ek olarak, ekstrüzyon yazıcıları hücrelerle aşılanmış su ile şişmiş üç boyutlu makromolekülleri (hidrojel) de kullanabilir.

Vücudun çeşitli bölgelerindeki dokuyu yeniden yapılandırmak için 3B biyoyazıcı kullanılabilir. Tıp alanında birkaç uygulama vardır. Trakeobronkomalazi (TBM) olarak bilinen solunum hastalığı olan bir bebeğe, 3B baskı ile oluşturulmuş bir trakeal atel nakledilmştir Mesane hastalığı olan hastalar, hasarlı organı yeniden inşa etmek için tasarlanmış mesane dokuları kullanılarak tedavi edilebilir. Bu teknoloji potansiyel olarak kemik, deri, kıkırdak ve kas dokusuna da uygulanabilir. 3B biyo-baskı teknolojisinin uzun vadeli amacı, bütün bir organı yeniden inşa etmek olsa da, tamamen işlevsel organların basılmasında çok az başarı sağlanmıştır. İmplante edilebilir stentlerin aksine, organların karmaşık şekilleri vardır ve biyo-baskı yapmak daha zordur.

3B biyo-baskı, biyomalzemeler adı verilen yenilikçi malzemeler üzerinde araştırma yapılmasına izin vererek, doku mühendisliğinin tıbbi alanında önemli ilerlemelere katkıda bulunur. Biyomalzemeler üç boyutlu nesneleri basmak için uyarlanan ve kullanılan malzemelerdir. En kayda değer biyomühendislik ürünlerinden bazıları yumuşak doku ve kemik dahil olmak üzere genellikle vücut malzemelerinden daha güçlüdür. Bu ürünler, gelecekte orijinal vücut malzemelerinde iyileştirmeler olarak devam edebilir. Örneğin aljinat; yapılabilirlik, biyouyumluluk, düşük zarar ve vücudun bazı yapısal materyallerine kıyasla daha güçlü yapısının olması gibi birçok biyomedikal özelliği olan bir polimerdir. Mühendisler ayrıca, komşu dokulardan besin ve oksijenin difüzyonunu en üst düzeye çıkarabilen mikro kanalların basılması gibi diğer seçenekleri de araştırıyorlar. Ek olarak, Savunma Tehdit Azaltma Ajansı, yeni ilaçları daha doğru bir şekilde test etme ve belki de hayvanlarda test etme ihtiyacını ortadan kaldırma potansiyeli olarak kalpler, karaciğerler ve akciğerler gibi organları basmayı hedefliyor.