Üç boyutlu (3B) yazıcı teknolojisi, mühendislik, üretim, sanat, eğitim ve tıp gibi birçok alanda büyük yeniliklere yön vermektedir. Bu gelişmeler ışığında biyo-uyumlu materyallerin kullanımı ile 3B biyoyazıcılar hücrelerin ve destekleyici bileşenlerin karmaşık 3B dokulara yazdırılmasını sağlamıştır [1]. Biyolojik olmayan yazıcı ile karşılaştırıldığında, 3B biyoyazıcılar, malzeme seçimi, hücre tipleri, büyüme ve farklılaşma faktörleri ve canlı hücrelerin hassasiyetleri ve dokuların yapısı ile ilgili teknik zorluklar gibi ek karışıklıklar içermektedir. Bu karışıklıkların ele alınması, mühendislik, biyomalzeme bilimi, hücre biyolojisi, fizik ve tıp alanlarındaki teknolojilerin entegrasyonunu gerektirmektedir. Çok katmanlı cilt, kemik, vasküler greftler, trakeal arterler, kalp dokusu ve kıkırdak yapılar dahil olmak üzere çeşitli dokuların üretimi ve transplantasyonu için 3D biyoyazıcı kullanıldığı bilinmektedir. Ayrıca kozmetik testleri, rejeneratif tıp ve fonksiyonel organ değişimi uygulamaları dahil olmak üzere tıbbi araştırmalardaki birçok ihtiyacı çözme potansiyeline sahiptir [2].
Biyolojik yapıların 3B biyoyazımı, bir bilgisayar destekli tasarım (CAD) dosyasından gelen girdiyle 3B doku oluşturmak için destekleyici bir iskelede materyalin katman katman eklenmesiyle üretilir. Genel olarak, 3B biyoyazım işlemi beş farklı adımı içerir:
1. Hedef dokunun görüntülenmesi / taranması gerçekleştirilir,
2. Görüntüleme girdisi kullanılarak, model CAD-CAM (bilgisayar destekli üretim) yazılımları kullanılabilir,
3. Basılacak dokuya bağlı olarak, biyomateryal yapı iskeleleri ve hücreler dikkatlice seçilir, bir veya daha fazla hücre tipi kullanılabilir,
4. Doku bir biyoyazıcı kullanılarak yazdırılır,
5. Biyoyazılı dokunun olgunlaşmasına izin verilir [1].
Şekil 1. Biyoyazımın farklı adım ve aşamaları [1].
Biyolojik baskı süreci genel olarak üç farklı aşamada ilerler:
1. Ön işleme (Pre-printing): malzeme seçimi, hidrojel sentezi ve biyoink üretimi
2. İşleme (Bioprinting): parametreler ve çapraz bağlama yöntemleri
3. İşlem sonrası (Post-printing): hücresel ve mekanik testler [3].
Şekil 2. Üç biyolojik baskı aşamasının şematik gösterimi [3].
Biyolojik baskı için ana teknolojik sistemlerden üçü şunlardır:
1. Mürekkep Püskürtmeli Biyoyazıcı: Genel olarak, termal mürekkep püskürtmeli biyoyazıcı, elektrostatik mürekkep püskürtmeli biyoyazıcı ve piezoelektrik mürekkep püskürtmeli biyoyazıcı mekanizmalarını kullanır. Mürekkep püskürtmeli biyoyazıcılar da kullanılan biyoink viskozitesi sınırlıdır; bioink ne kadar viskoz olursa damlacıkları yazıcı nozülünden çıkarmak için gereken kuvvet o kadar büyük olur. Termal mürekkep püskürtmeli biyoyazıcıda, biyoink odasında ısı üretilir ve üretilen ısı tarafından basınç tetiklenir.
2. Mikro Ekstrüzyon Biyoyazıcı: Sürekli malzeme ve/veya hücre boncuklarını ekstrüde etmek için pnömatik veya mekanik dağıtım sistemleri kullanır. Mikro ekstrüzyon yazıcıları, daha fazla viskoz malzeme basılabildiğinden daha geniş bir biyomateryal seçimine izin verir. Yapılar hidrojel ile basılır ve malzeme daha sonra fiziksel veya kimyasal olarak katılaştırılır, böylece yapılar 3D şekiller oluşturmak için birleştirilebilir.
3. Lazer Tabanlı Biyoyazıcı: Biyoinkler, metal film desteği üzerinde biriken sıvı veya jel solüsyon içindeki hücrelerdir. Metal film daha sonra gelen lazer ışığıyla birlikte buharlaştırılır ve bu da biyoink damlacıklarının giderilmesine yol açar. Lazer biyoyazıcıda püskürtme uçları kullanılmadığından, hücre tıkanma sorunları yaşanmaz. Diğer bir avantajı ise, hücre canlılığını etkilemeden yüksek hücre yoğunluklarında baskı yapabilmesidir. [1][4]
Şekil 3. Mürekkep püskürtmeli, mikro ekstrüzyon ve lazer destekli biyoyazıcıların bileşenleri [1]
Biyoink Nedir?
Kısaca bioink, biyoyazım işlemi sırasında katman katman basılan malzemedir. Tipik olarak, hücresel malzeme, katkı maddeleri (büyüme faktörleri, sinyal molekülleri vb.) ve destekleyici bir yapı iskelesinden oluşur. Biyoinkler tek başına doğal veya sentetik biyomateryallerden veya ikisinin bir kombinasyonundan hibrit materyaller olarak yapılabilir. Sentetik polimerler, polikaprolakton (PCL), pluronik, polivinilpirolidon (PVP), polietilen glikol (PEG) ile jelatin, hyaluronik asit, kolajen ve matrigel gibi doğal polimerleri içerir [4]. İdeal bir biyoink, hedef dokuların doğru mekanik, reolojik ve biyolojik özelliklerine sahip olmalıdır ve bu, biyolojik olarak yazdırılan doku ve organların doğru işlevselliğini sağlamak için gereklidir [5,6].
Referanslar
[1] Varkey, M., Visscher, D. O., van Zuijlen, P. P., Atala, A., & Yoo, J. J. (2019). Skin bioprinting: the future of burn wound reconstruction?. Burns & trauma, 7.
[2] Murphy, S. V., & Atala, A. (2014). 3D bioprinting of tissues and organs. Nature biotechnology, 32(8), 773-785.
[3] Sánchez, E. M., Gómez-Blanco, J. C., Nieto, E. L., Casado, J. G., Macías-García, A., Díez, M. A. D., ... & Pagador, J. B. (2020). Hydrogels for Bioprinting: A Systematic Review of Hydrogels Synthesis, Bioprinting Parameters, and Bioprinted Structures Behavior. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8.
[4] Vanaei, S., Parizi, M. S., Salemizadehparizi, F., & Vanaei, H. R. (2021). An overview on materials and techniques in 3d bioprinting toward biomedical application. Engineered Regeneration, 2, 1-18.
[5] Bishop, E. S., Mostafa, S., Pakvasa, M., Luu, H. H., Lee, M. J., Wolf, J. M., ... & Reid, R. R. (2017). 3-D bioprinting technologies in tissue engineering and regenerative medicine: Current and future trends. Genes & diseases, 4(4), 185-195.
[6] Gungor-Ozkerim, P. S., Inci, I., Zhang, Y. S., Khademhosseini, A., & Dokmeci, M. R. (2018). Bioinks for 3D bioprinting: an overview. Biomaterials science, 6(5), 915-946.