Biodruk 3D – nadzieje i wyzwania


27-06-2022 17:32:27

Dr Małgorzata Włodarczyk-Biegun, Centrum Biotechnologii Politechniki Śląskiej:

Drukowalne implanty, części zamienne do naszych ciał – czy to możliwe? Czy za parę lat będziemy mogli w szpitalu dodrukować brakujący kawałek skóry? Czy najnowsze technologie druku i biodruku 3D pozwalają przybliżyć się do tego, co jeszcze niedawno uchodziło za science fiction? Aby odpowiedzieć na te pytania, warto zapoznać się bliżej z technologią biodruku 3D oraz jej potencjałem, ale także wyzwaniami, które stoją przed jej praktycznym zastosowaniem.  

Biodruk 3D to nowoczesna technologia wytwarzania trójwymiarowych matryc i rusztowań, obecnie szczególnie popularna w zastosowaniach biomedycznych. Opiera się ona na kształtowaniu materiału (zwanego tuszem), warstwa po warstwie, w celu tworzenia hierarchicznych i złożonych trójwymiarowych obiektów przeznaczonych do aktywnego kontaktu z materiałem biologicznym.

Zwykle, na wytwarzanych rusztowaniach sadza się żywe komórki, które rosną, migrują i różnicują się, aby ostatecznie utworzyć tkanki. Możliwy jest również druk z użyciem biotuszu, kiedy drukowany materiał, przeważnie przygotowany na bazie hydrożelu, zawiera już w swoim składzie żywe komórki. W takim przypadku nie ma potrzeby dodatkowego wysiewu komórek po zakończeniu procesu drukowania, co przyspiesza proces produkcji. Doskonała kontrola nad rozmieszczeniem tuszu, tak jego lokalizacją, jak i wytłaczaną ilością, jest trudna do uzyskania przy użyciu innych technologii kształtowania materiału (np. odlewaniu). Dzięki temu różnorodne i precyzyjne kształty, złożone z różnych rodzajów materiału i dostoswane do konkretnych zastosowań (np. odtworzenia konkretnej tkanki pacjenta), mogą być wytwarzane z wyjątkową precyzją, ściśle przypominając rzeczywiste tkanki. W druku mogą zostać zastosowane własne komórki pacjenta, co zmniejsza ryzyko odrzuceń przy implantacji czy np. przeniesienia chorób od innego dawcy. Ponadto technika ta jest niemal pozbawiona produkowania materiałów ubocznych (odpadów). 

Rozróżnia się kilkanaście typów biodruku 3D, lecz najbardziej popularne to druk typu inkjet (wywodzący się z druku atramentowego), druk polegający na wytłaczaniu/ekstruzji materiału oraz druk laserowy. Techniki te dają możliwość różnego poziomu precyzji i szybkości wytwarzania, przeżywalności drukowanych komórek, a także dostosowane są do odmiennych typów (bio)materiałów. Najbardziej popularna w zastosowaniach biomedycznych jest technika ekstruzji z użyciem biotuszy, ze względu na wysoką efektywność, rozumianą jako stosunkowo niskie koszty przy relatywnie szybkim czasie drukowania.

Ludzkie tkanki są wysoce wyspecjalizowanymi strukturami, często charakteryzującymi się złożonymi właściwościami biologicznymi, chemicznymi i mechanicznymi. Możliwość produkowania rusztowań dla wzrostu i hodowli komórek, blisko odwzorowujących tę złożoną budowę tkanek ma kluczowe znaczenie dla medycyny regeneracyjnej i inżynierii tkankowej. Daje nadzieje na nowe implanty do leczenia uszkodzonych tkanek, indywidualnie dostosowane do potrzeb pacjenta, a także na opracowanie nowatorskich modeli tkanek in-vitro, pozwalających m.in. testować leki oraz prowadzić dogłębne badania nad biologią komórek i tkanek. Modele te w przyszłości zastąpią eksperymenty na zwierzętach w naukach biomedycznych, dając bardziej wiarygodne i adekwatne wyniki, przyspieszające postęp nauk medycznych.

Jednakże w praktyce zaawansowany biodruk 3D to zadanie bardzo trudne. Jednym z głównych wyzwań jest ograniczona ilość dostępnych biotuszy i trudność w opracowywaniu nowych funkcjonalnych, drukowalnych materiałów. Idealny biotusz musi być zarówno łatwy w ekstruzji, ale także bardzo stabilny niemal natychmiast po wytłoczeniu, by utrzymać zaplanowany kształt. Musi także być biozgodny – nie powodować spadku żywotności komórek, a pozwalać na ich wzrost. Ponadto musi mieć właściwości zgodne z aplikacją, np. w zastosowaniach do rekonstrukcji skóry, pozwalać na odpowiednie różnicowanie komórek i tworzenie naturalnych warstw naskórka. Mimo niebywałego postępu biodruku 3D, wciąż brakuje efektywnych tuszy, które mogą zawierać żyjące komórki i spełniać wszystkie powyższe kryteria jednocześnie. Ponadto, drukowane struktury powinny odwzorowywać złożoność natywnych tkanek, co oznacza zwykle ko-drukowanie wielu różnych materiałów, zawierający kilka typów komórek. Większe drukowane elementy wymagają również uwzględnienia (wydrukowania) sieci naczyń krwionośnych, aby zapewnić składniki odżywcze oraz tlen komórkom zawartym w całej objętości wydruku. Ma to na celu uniknięcie sytuacji, w której komórki zamknięte w głębi materiału zaczynają obumierać. Nie powinno się również zapominać o konieczności unerwienia. W końcu wydrukowana struktura potrzebuje również czasu, aby komórki mogły się rozrosnąć, zorganizować i przejąć wymagane funkcje życiowe. Taki czas, w zależności od wielkości konstruktu, to minimum kilka tygodni. Wydruk wiernego odwzorowania nawet najprostszych tkanek czy organów jest więc nadal złożonym problemem.

Kiedy zatem będziemy mogli otrzymać w szpitalu w pełni gotowy, funkcjonalny narząd lub fragment tkanki? Biodrukowane tkanki są już w badaniach preklinicznych i dużymi krokami zmierzają w stronę badań klinicznych. Drukowane implanty niezawierające komórek pacjenta (a więc nie „żyjące”) są już używane w niektórych szpitalach np. w rekonstrukcji twarzoczaszki. Zatem powinnyśmy oczekiwać, że na przestrzeni kilku lub kilkunastu lat i biodruk będzie powszechnie stosowany. Jednakże warto pamiętać, że poza trudnościami technologicznymi, pojawią się również obostrzenia prawne. Obecnie nie ma regulacji, które umożliwiałyby rutynowe stosowanie biodruku 3D u pacjentów.

Co ciekawe, poza świetlaną przyszłością biodruku 3D w zastosowaniach medycznych, duży progres tej techniki obserwuje się również w innych dziedzinach. Wydaje się, że ze względu na mniejsze wątpliwości etyczne oraz restrykcje prawne, postęp w stronę aplikacyjną będzie tutaj jeszcze szybszy. Za przykład można podać zastosowanie w produkcji żywności, np. drukowane mięso hodowane w laboratoriach, ale także nadawanie tekstury jadalnym tuszom na bazie białek w celu otrzymywania konkretnych wrażeń smakowych. Innym ciekawym pomysłem są drukowane meble, gdzie hydrożelowe tusze zawierają komórki roślinne. Dzięki temu meble o wyrafinowanych kształtach, produkowane bez konieczności ścinania drzew, staną się realnie dostępnym produktem.

Bez wątpienia technika biodruku 3D to fascynujący temat, które mimo wielu wyzwań, zajęło ważne miejsce w naukach inżynierskich. Na przestrzeni kilkunastu lat z pewnością będzie w stanie sprostać wielu pokładanym w niej nadziejom.  

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl