Biodruk 3D

Biodruk 3D – technologia addytywna, która wykorzystuje materiały zawierające żywe komórki (biotusze) do budowy złożonych, trójwymiarowych struktur. Technika biodruku 3D pozwala na produkcję układów lab-on-a-chip i organ-on-a-chip, modeli tkankowych 3D (w tym modeli nowotworowych). W przyszłości biodruk 3D pozwolić ma na tworzenie funkcjonalnych organów możliwych do stosowania w procedurach medycznych oraz na zastąpienie zwierząt w badaniach klinicznych[1].

Proces biodruku 3D rozpoczyna się od pobrania od pacjenta komórek, które następnie są namnażane i mieszane z odpowiednim nośnikiem np. hydrożelowym. Materiał ten, zwany biotuszem, zapewnia ochronę i środowisko komórek w trakcie procesu drukowania. Aktualnie najbardziej popularnymi biotuszami są alginiany, metakrylany żelatyny oraz lamininy. Innymi popularnymi składnikami biotuszy są: nanofibrylowana celuloza, kolagen, chitozan, guma ksantanowa, fibrynogen[1].

Historia biodruku 3D

Za początki technologii biodruku 3D uważa się wynalezienie w 1984 roku przez Charlesa Hull’a pierwszej drukarki 3D opartej na technologii SLA. Gwałtowny rozwój drukowania elementów z biomateriałów nastąpił jednak dopiero na przełomie XX i XXI wieku. W 1996 roku, po raz pierwszy zastosowano biomateriał do regeneracji tkanek, za to w 2001 roku komórki pęcherza zostały wydrukowane bezpośrednio na skafoldzie[2].

W roku 2009 firma Organovo wprowadziła na rynek pierwszą komercyjną biodrukarkę 3D NovoGen MMX. Umożliwiło to prowadzenie badań nad biodrukowanymi strukturami na skalę szerszą niż kiedykolwiek wcześniej. W latach 2010-2016 opracowano między innymi: model skóry, miniaturową nerkę, konstrukty naczyniowe, chrząstkę stawową oraz zastawki serca[3].

W 2019 roku naukowcy z Rice Univeristy w Stanów Zjednoczonych stworzyli za pomocą biodrukarki typu DLP pierwszy na świecie, w pełni funkcjonalny model pęcherzyka płucnego[4].

Technologie biodruku 3D

W druku 3D żywymi komórkami wyróżnia się trzy główne technologie: inkjet, biodrukowanie ekstruzyjne oraz biodruk 3D za pomocą wiązki lasera.

Biodrukarki inkjet są najczęściej stosowanym typem drukarek zarówno do zastosowań niebiologicznych jak i biologicznych. Kontrolowane objętości cieczy dostarczane są do predefiniowanych miejsc na płaszczyźnie. Technologia ta wykorzystuje zjawiska cieplne lub akustyczne do generowania pojedynczych kropel biotuszu. Drukarki te charakteryzują się wysoką precyzją, dużą szybkością i kompatybilnością z wieloma materiałami biologicznymi[5].

Biodrukarki wykorzystujące technikę mikroekstruzji materiału składają się z systemu dozującego oraz zautomatyzowanego ramienia umożliwiającego poruszanie się głowicy po powierzchni pola roboczego (np. szalki lub szkiełka). Do wytłaczania biotuszu stosuje się dozowniki mechaniczne (np. strzykawkowe) lub pneumatyczne. Na rynku istnieją również modele biodrukarek mikroeskruzyjnych z wieloma głowicami drukującymi umożliwiającymi szeregowe dozowanie kilku materiałów. Inną technologią biodruku 3D są urządzenia wykorzystujące wiązki lasera. Początkowo metoda ta była stosowana jedynie do spiekania proszków metali, jednak po wprowadzeniu paru modyfikacji znalazła ona również zastosowanie w wytwarzaniu modeli biologicznych zawierających żywe komórki. Układ tego typu urządzeń składa się z wiązki laserowej, często w formie impulsowej, systemu ogniskowania oraz stolika na którym umieszcza się biotusz. Na rynku pojawiły się również pierwsze ultraszybkie biodrukarki 3D wytwarzające obiekty za pomocą wysokoenergetycznego lasera na podstawie holograficznej projekcji modelu 3D[5][6].

Aplikacje biodruku 3D

Głównymi nadziejami związanymi z rozwojem biodruku jest usunięcie modeli zwierzęcych z badań laboratoryjnych oraz tworzenie organów ludzkich do przeszczepu.

Firma L’Oreal od kilku lat wyposażona jest w laboratoria biodruku 3D umożliwiające testowanie kosmetyków na biodrukowanych modelach skórnych. Dzięki tej praktyce chce całkowicie odejść od testowania swoich produktów na zwierzętach.

Wśród pionierskich polskich inicjatyw wykorzystujących biodruk 3D jest projekt bionicznej trzustki Fundacji Badań i Rozwoju Nauki.  Grupa naukowców pod okiem chirurga transplantologa dr hab. med. Michała Wszoły prowadzi badania nad biodrukiem 3D bionicznej trzustki dedykowanej dla pacjentów chorych na cukrzycę.

W Polsce pierwszą firmą zajmującą się wdrażaniem technologii addytywnych w biotechnologii i medycynie jest Sygnis Bio Technologies[7].

Przypisy

  1. ↑ a b 3D BIO-PRINTING OF SKIN TISSUE AS A REPLACEMENT FOR SKIN-GRAFTS Pooja Chawla, Joshua Myers, Ylan Phan
  2. ↑ Amer B. Dababneh, Ibrahim T. Ozbolat1, Bioprinting Technology: A Current State-of-the-Art Review, grudzień 2014.
  3. ↑ Kamil Karzyński i inni, Use of 3D bioprinting in biomedical engineering for clinical.
  4. ↑ 'Breathing lung' breaks impenetrable barrier to 3D printing organs, news.cgtn.com [dostęp 2020-02-14] (ang.).
  5. ↑ a b Sean V. Murphy, Anthony Atala, 3D bioprinting of tissues and organs, „Nature Biotechnology”, 32 (8), 2014, s. 773–785, DOI: 10.1038/nbt.2958, ISSN 1546-1696 [dostęp 2020-02-14] (ang.).
  6. ↑ CELLINK and Prellis Biologics announce powerful, $1.2M Holograph-X Bioprinter, 3D Printing Media Network, 5 grudnia 2018 [dostęp 2020-02-14] (ang.).
  7. ↑ Przełom w biodruku 3D w Polsce. Sygnis Bio Technologies wchodzi na polski rynek – Artykuły – Biotechnologia.pl, biotechnologia.pl [dostęp 2020-02-14] (pol.).