Biyomühendisler; biyolojik baskı dokuları için çığır açan bir teknikle 3D baskı yedek organlarına giden yolda büyük bir engeli aştılar.
Yeni inovasyon; bilim insanlarının vücudun kan, hava, lenf ve diğer hayati sıvılar için doğal geçiş yollarını taklit eden zarif dolaşmış damar ağları oluşturmalarına izin veriyor.
Araştırma, bu haftaki Science dergisinin kapağında yer aldı. Havayollarının çevreleyen kan damarlarına oksijen verdiği akciğer, taklit eden bir hava kesesinin hidrojel modelini oluşturdular. Ayrıca karaciğer hücrelerini içeren bio-baskı yapıları; farelere yerleştirmek için yapılan deneylerde de başarıyla rapor edildi.
Rice Brown School of Engineering Biyomühendislik Profesörü Miller: “Fonksiyonel doku replasmanları üretemenin en büyük engellerinden biri; yoğun popülasyonlu dokulara besin sağlayabilen, karmaşık vaskülatürü basamıyor olmamızdı. Ayrıca, organlarımız gerçekte bağımsız vasküler ağlar içeriyor. (Akciğerin hava yolları ve kan damarları veya karaciğerdeki safra kanalları ve kan damarları gibi…) Bu iç içe geçmiş ağlar; fiziksel ve biyokimyasal olarak dolaşmış ve mimarinin kendisi doku işleviyle yakından ilişkilidir. Bizimki, çok damarlı hale getirme mücadelesini doğrudan ve kapsamlı bir şekilde ele alan ilk bio-baskı teknolojisidir.”
Stevens: “Bu çalışma ile artık daha iyi bir soru sorabiliriz: ‘Görünen ve vücudumuzdaki sağlıklı dokular gibi daha fazla nefes alan dokuları basabilirsek, onlar da fonksiyonel olarak bu dokular gibi davranırlar mı?’ Bu önemli bir soru, çünkü bio-baskı bir doku işlevinin; bir tedavi yolu olarak ne kadar başarılı olacağını etkiliyor.”
Bio-baskı sağlıklı, fonksiyonel organların amacı; organ nakli ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Dünyada pek çok insan; nakil bekleme listelerinde ve sonunda donör organları alan kişilerde; hala organ reddini önlemek için ömür boyu süren immün baskılayıcı ilaçlarla karşı karşıya kalmakatadır. Bio-baskı, son on yılda yoğun ilgi gördü. Çünkü doktorların hastanın kendi hücrelerinden replasman organları basmasına izin vererek, her iki problemi de teorik olarak ele alabilirdi. Dünyada milyonlarca hastayı tedavi etmek için bir gün hazır fonksiyonel organ temini gerçekleştirilebilir.
Miller: “Biyo-baskının önümüzdeki yirmi yıl içinde tıbbın önemli bir bileşeni haline gelmesini öngörüyoruz.”
Stevens: “Karaciğer özellikle ilginçtir; çünkü muhtemelen akıllara durgunluk veren 500 işlevi gerçekleştirir. Karaciğerin karmaşıklığı, şu anda başarısız olduğunda tüm işlevlerinin yerine geçebilecek hiçbir makine veya terapi bulunmadığı anlamına geliyor. Bio-baskı insan organları; bir gün bu tedaviyi sağlayabilir.”
Bu zorluğun üstesinden gelmek için, ekip “Doku Mühendisliği için Stereolitografi Aparatı” veya SLATE adlı yeni bir açık kaynaklı bio-baskı teknolojisi geliştirdi. Sistem; her seferinde bir kat yumuşak hidrojeller yapmak için ilave üretim kullanır.
Katmanlar; mavi ışığa maruz kaldığında katı hale gelen sıvı, ön hidrojel çözeltisinden basılır. Dijital bir ışık işleme projektörü, 10-50 mikron arasında değişen piksel boyutlarıyla yapının ardışık 2D dilimlerini yüksek çözünürlükte görüntüleyerek, aşağıdan ışığı parlatır. Sırasıyla her bir katının katılaştırılmasıyla, bir üst kol; sıvının projektörden bir sonraki görüntüye maruz kalması için yeterince büyüyen 3D jeli yükseltir. Rice Yüksek Lisans Öğrencisi Miller ve Bagrat Grigoryan’ın ana görüşü; mavi ışığı emen gıda boyalarının eklenmesiydi. Bu foto emiciler katılaştırmayı; çok ince bir katmana hapseder. Bu şekilde, sistem birkaç dakika içinde karmaşık iç mimariye sahip; yumuşak, su bazlı, biyouyumlu jeller üretebilir.
Akciğeri taklit eden yapının testleri; dokuların, kan akışı sırasında patlamayı önleyecek kadar sağlam olduğunu ve insan solunumunun basınçlarını ve sıklığını simüle eden, ritmik bir hava girişi ve akışını pulsatil (ritmik) “nefes alma” sırasında gösterdi. Testler; kırmızı kan hücrelerinin, “nefes alan” hava kesesini çevreleyen bir kan damarı ağı içinden akarken, oksijen alabildiğini gösterdi. Oksijenin bu hareketi; akciğerin alveo hava keselerinde meydana gelen gaz alışverişine benzer.
Rosenkrantz: “Sinir Sistemi’ni kurduğumuzda; algoritmaları doğadan yeni ürünlere tasarım yoluna adapte etme hedefindeydi. Bunu geri getirme ve canlı dokuları tasarlama fırsatımız olacağını asla hayal etmedik.”
Karaciğer hastalığı için terapötik implantların testlerinde; 3D ekibi dokuları bastırdı. Primer karaciğer hücreleri ile doldurdu ve farelere implante etti. Dokular; kan damarları ve karaciğer hücreleri için ayrı bölümlere sahipti ve kronik karaciğer hasarı olan farelere implante edildi. Testler karaciğer hücrelerinin implantasyondan kurtulduğunu göstermiştir.
Miller; yeni bio-baskı sisteminin aynı zamanda sıvının sadece bir yönde akmasına izin veren intravasküler özelliklerde üretebileceğini söyledi. İnsanlarda kalpte, bacak damarlarında ve lenfatik sistem gibi tamamlayıcı ağlarda akış tahrikini sağlayan pompası bulunmayan intravasküler kapaklar bulunur.
Miller: “Çok damarlı ve damar içi yapının eklenmesiyle, canlı doku mühendisliği için geniş bir tasarım özgürlüğü seti sunuyoruz. Artık vücutta bulunan karmaşık yapıların çoğunu inşa etme özgürlüğüne sahibiz.”
Miller ve Grigoryan, araştırmanın anahtar yönlerini Volumetric adlı Houston merkezli bir başlangıç şirketi aracılığıyla pazarlıyorlar. Grigoryan’ın tam zamanlı olarak katıldığı firma; bio-baskılar ve biokink’ler* tasarlıyor ve üretiyor.
Uzun zamandır açık kaynaklı 3 boyutlu baskı şampiyonu olan Miller; yayınlanan Science çalışmasındaki deneylerden elde edilen tüm kaynak verilerinin serbestçe kullanılabildiğini söyledi. Ek olarak; stereolitografi baskı aparatını oluşturmak için gereken tüm 3 boyutlu yazdırılabilir dosyalarda, çalışmada kullanılan hidrojellerin her birini basmak için tasarım dosyaları olduğu gibi mevcuttur.
Miller: “Hidrojel tasarım dosyalarının kullanılabilir hale getirilmesi, bugün gelecekte bir 3D baskı teknolojisini kullansalar bile, başkalarının buradaki çabalarımızı keşfetmelerine olanak sağlayacak.”
*Biyoink’ler: Karmaşık doku modellerinin 3D baskısı için kullanılabilecek canlı hücrelerden yapılmış maddelerdir. Biyoinkler; canlı hücrelerin yapışmasını, çoğalmasını ve farklılaşmasını desteklemek için hücre dışı bir matris ortamını taklit eden materyallerdir.
