3-Boyutlu (3B) Biyobaskı Teknolojisi ve Biyoyazıcılar

3B biyobaskı teknolojisi nedir?

Son yıllarda artarak ilgi gören 3B baskı; hücrelerin, dokuların ve organların isteğe bağlı olarak "basılmasını" kolaylaştırdığı için sağlık sektöründe “3B biyobaskı” olarak adlandırılmaktadır. İstenen hücresel mimariye sahip doku ve organ benzeri üç boyutlu yapılar oluşturmak için canlı hücrelerle karıştırılmış biyo-mürekkeplerin bir substrat veya doku kültürü kabı üzerinde katman katman hızlı bir şekilde basılmasını içeren bilgisayar destekli bir teknoloji olan 3B biyobaskı, özellikle rejeneratif tıpta dikkate değer ilerlemelere yol açmıştır. Bu teknolojik ilerlemeler "doku mühendisliği" gibi yeni bilimsel alanların oluşmasına yol açmıştır. 3B biyobaskı teknolojisi, özellikle yaşlanan nüfusun tıbbi taleplerini karşılama, deney hayvanlarının kullanımını azaltma ve organ yetmezliğinden muzdarip hastaların sorunlarına çözüm bulma açılarından oldukça önem arz etmektedir.

3B biyobaskının tarihsel gelişimi

3B biyobaskının tarihçesi, genel olarak 3B baskı ve doku mühendisliği alanındaki gelişmelerle ilişkilidir. 

2000'lerin başlangıcı: 3B baskı teknolojisinin kavramı 1980'lere dayanmasına rağmen, bu teknoloji 2000'lerin başında önem kazandı. Bu teknoloji, malzemelerin katman katman bir araya getirilerek üç boyutlu nesnelerin oluşturulmasına olanak tanıdı. 

2000'lerin ortası: Doku mühendisliği, mühendislik ve biyoloji prensiplerini birleştirerek işlevsel dokular oluşturmayı amaçlayan bir alan olarak önem kazanmaya başladı. Araştırmacılar, 3B baskı tekniklerini doku mühendisliği uygulamaları için kullanma olasılığını keşfettiler. 

2003: Wake Forest Institute for Regenerative Medicine'deki Dr. Anthony Atala liderliğindeki bilim insanları, hücreler ve biyobozunur bir iskele kullanarak ilk işlevsel insan organını, bir mesaneyi başarıyla bastılar. Bu, modern anlamda doğrudan 3B biyobaskı olmasa da, alanın temelini attı.

2009: "Biyobaskı" terimi, biyoteknoloji şirketi Organovo'nun Gabor Forgacs ve ekibi tarafından ortaya atıldı. Organovo, 3B baskıyı kullanarak farmasötik testler için işlevsel insan dokuları oluşturmaya odaklandı. 

2010'lar: 2010'lar, 3B biyobaskı teknolojisinde önemli ilerlemeleri beraberinde getirdi. Çeşitli araştırma grupları ve şirketler, dokuları ve organları basmak için farklı yöntemler ve malzemeler denemeye başladılar. 

2015: Harvard Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, kan damarlarını 3B olarak bastılar. Bu, daha karmaşık organların basılmasına yönelik bir adım olarak önemliydi. 

2016: Organovo, işlevsel karaciğer dokusunu başarıyla biyobaskıladıklarını duyurdu, bu da 3B biyobaskının daha karmaşık ve hayati organları oluşturma potansiyelini gösterdi. 

2019: Tel Aviv Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bir hastanın kendi hücreleri ve biyolojik malzemeler kullanılarak bir kalbi 3B olarak bastıklarını duyurdular. Kalp küçük olmasına ve tam olarak işlevsel olmamasına rağmen, 3B baskılı organ arayışında bir dönüm noktasını temsil ediyordu. 

2020'ler: 3B biyobaskı alanındaki araştırma ve geliştirme devam etmektedir. Bilim insanları, teknikleri geliştirmek, kullanılan malzemeleri iyileştirmek ve kişiselleştirilmiş tıp ve nakil gibi yeni uygulamaları keşfetmek için çaba harcamaktadırlar.

3B biyobaskı türleri

3B biyobaskı, farklı teknikler ve yöntemler kullanılarak çeşitli türlerde gerçekleştirilebilir. Yaygın olarak bilinen 3B biyobaskı türleri: 

3B ekstrüzyon baskı: En yaygın olarak kullanılan 3B biyobaskı tekniğidir. Hidrojel ile karıştırılmış hücrelerden oluşan sonsuz malzeme filamentlerini bir mikro nozül aracılığıyla dağıtarak 2B veya 3B yapılar oluşturur. Uygun fiyatlı olmasının yanı sıra; büyük ölçekli yapılar oluşturabilmesi, yüksek hücre yoğunluğu, ve sentetik ve doğal polimerler de dahil olmak üzere çok çeşitli biyomalzemelerin kullanımı gibi birçok avantaja sahiptir. 

Lazer destekli biyobaskı: Lazer ışığı kullanılarak, belirli bir deseni oluşturmak üzere malzeme katmanlarının sinterlenmesi veya polimerleştirilmesi ile baskı yapılır. Bu yöntem, ince detaylara sahip dokuların üretilmesi için kullanılır. Yüksek viskoziteli ve çözünürlüklü biyomürekkep kullanabilir ancak yüksek lazer enerjisi nedeniyle hücre hasarına neden olur. Ayrıca, yüksek maliyet ve kullanım zorluğu dezavantajlarına sahiptir.

Mürekkep püskürtme tabanlı (inkjet) biyobaskı: Hücre ve biyomateryal içeren bir sıvı jetinin, bir alt tabakaya doğru püskürtülerek katmanlar halinde birikmesi sağlanır. Bu yöntem, yüksek hücre yoğunluğuna sahip dokuların oluşturulmasında kullanışlıdır. Mürekkep püskürtme tabanlı biyobaskının avantajları yüksek baskı hızı ve düşük maliyettir, dezavantajı ise yazdırılabilir biyomalzemelerin çeşitliliğinin az olmasıdır.

Stereolitografi (SLA) biyobaskı: SLA, bir fotosensitif reçinenin lazer ışığı ile katmanlar halinde polimerize edilmesini içeren bir süreçtir. SLA biyobaskı teknolojisi, mikro ve nano boyutlarda 3B desenli iskeleler üretmek için kullanılabilir, ancak yüksek maliyetli ekipman ve malzemeler gerektirir.

Dijital ışık işleme (DLP) tabanlı biyobaskı: DLP, bir ışık kaynağı ve dijital bir mikro aynadan oluşan bir düzenek kullanarak, yüksek çözünürlükteki 2D katmanları hızlı bir şekilde polimerize ederek 3B nesnelerin oluşturulmasını sağlar. DLP tabanlı biyobaskı, yüksek çözünürlük, hızlı üretim ve hassasiyet sağlama yeteneği ile bilinir. Ancak, hücrelerin ve biyo mürekkeplerin ışığa duyarlı olması nedeniyle dikkatlice seçilmiş ve optimize edilmiş malzemelerin kullanılması gereklidir. Ayrıca, üretilen dokunun biyolojik ve mekanik özelliklerinin değerlendirilmesi önemlidir.

3B biyobaskı için biyomalzemeler

Biyomalzemeler biyobaskı için anahtar unsurlardır; doku mühendisliği için, biyobozunurluk, biyouyumluluk ve biyobasılabilirlik gibi çeşitli gereksinimleri karşılamalıdırlar. Biyomalzemeler, hücrenin çoğalma, büyüme ve sinyal verme gibi standart biyolojik işlevlerini destekler ve böylece hücrelerin canlılığını korur. Ayrıca hücrenin doğal ortamını taklit eden mikro yapıların oluşumuna da yardımcı olur. Biyomalzemelerde kullanılan polimerler doğal polimerler, sentetik polimerler veya her ikisinin kombinasyonları olarak sınıflandırılabilir.

Doğal polimerler

3B hücre kültürü için doğal polimerler, biyoaktiviteyi taklit etmek için insan ekstrasellüler matriks yapısına benzer özelliklere sahiptir. Biyomürekkep kaynağı olarak kullanılan doğal polimerler arasında aljinat, jelatin, kolajen, kitosan, agaroz ve hyaluronik asit (HA) bulunmaktadır.

Sentetik polimerler

Sentetik polimerler, spesifik fiziksel özellikleri nedeniyle biyomürekkep üretimi için mükemmel kaynaklardır. Bununla birlikte, sentetik polimerlerin kontrol edilemeyen bozunmaya uğramaları ve zayıf biyouyumluluğa sahip olmaları gibi çeşitli dezavantajları vardır. Polilaktik asit (PLA), polivinil alkol (PVA), polikaprolakton (PCL), polietilen oksit (PEG) ve termoplastik poliüretan (TPU) doku mühendisliği için sentetik polimerler olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.

3B biyobaskı uygulamaları

3B biyobaskı doku mühendisliği, rejeneratif tıp, organ ve ilaç basımı, toksikoloji taraması, klinik transplantasyon, yüksek verimli testler ve kanser araştırmaları gibi birçok alanda kullanılmaktadır. 

Organ ve doku rejenerasyonu: 3B biyobaskı, vücut dışında üretilen canlı organ ve dokuların hastalıklı veya hasar görmüş dokuların yerine konması amacıyla kullanılmasını sağlar. Bu, organ bekleyen hastalara umut verici bir çözüm sunabilir. 

İlaç testleri ve geliştirme: 3B biyobaskı, ilaç taramasına yönelik in vitro doku/organ modellerinin geliştirilmesinde, ilaçların etkilerini incelemek ve ilaç geliştirme süreçlerini hızlandırmak için kullanılabilir. İlaçların insan dokuları üzerinde test edilmesi, daha etkili ve güvenli ilaçların belirlenmesine yardımcı olabilir. 

İlaç dağıtım sistemleri: 3B baskılı ilaç dağıtım sistemleri, bireysel hasta ihtiyaçlarını karşılamak için dozaj formunun şeklini, dozunu ve boyutunu seçme konusunda yüksek esnekliğe sahip özelleştirilmiş ilaç ürünleri tasarlama yeteneği gibi avantajlara sahiptir.

Dental uygulamalar: Diş implantları, protezler ve diğer dental uygulamalar için kişiselleştirilmiş 3B baskı çözümleri geliştirilebilmektedir. 

Kulak burun boğaz (KBB) uygulamaları: Kişiselleştirilmiş kulak ve burun protezleri, kıkırdak dokuların yeniden oluşturulması ve işitme cihazları gibi KBB uygulamaları için 3B biyobaskı kullanılabilir. 

Cilt ve deri rejenerasyonu: Yanıklar, ülserler veya diğer cilt lezyonları için tedavi amacıyla 3B biyobaskı kullanılabilir. Bu, hastanın kendi hücreleri kullanılarak kişiselleştirilmiş cilt dokularının üretilmesini içerebilir. 

Kardiyovasküler uygulamalar: Kalp kapakları, damarlar ve diğer kardiyovasküler yapıların yeniden inşası için 3B biyobaskı kullanılabilir. Bu, kalp hastalıkları gibi durumların tedavisinde inovatif çözümler sunabilir. 

Tıbbi eğitim: 3B biyobaskı, cerrahi eğitimde ve anatomik model üretiminde kullanılabilir. Dokuların gerçekçi bir şekilde simüle edilmesi, cerrahi müdahalelerin eğitimini ve planlamasını geliştirebilir.

3B biyobaskının geleceği

Teknolojinin hızlı gelişimiyle beraber 3B biyobaskıdaki gelişmeler de artmaktadır. Hastaların kendi hücrelerinden biyolojik olarak basılan dokularla büyütülen fonksiyonel mesaneler halihazırda insan vücuduna başarılı bir şekilde nakledilmiştir. Bilim insanları hastaların hasarlı organlarının hastanın kök hücrelerinin veya diğer hücrelerinin kullanılarak basılabilmesi üzerinde yoğun olarak çalışmaktadır, bu sayede organ bağışçılarına ihtiyacın azaltılması amaçlanmaktadır.