Stereolitografski bioprinting tkiva i organa

Znanstvenici se nadaju da će posebno prilagođeni 3D printer pomoći medicinskim istraživanjima tiskanjem umjetnih tkiva tako složenih da se strukturom i funkcijom približe stvarnom ljudskom tkivu.

Igor Berecki četvrtak, 31. svibnja 2018. u 14:00

Teško je odoljeti zamišljanju bliske budućnosti u kojoj se u 3D-printeru izrađuje „po mjeri skrojeno“ tkivo ili organ kojega tijelo nakon implantacije neće odbaciti, a koji će anatomski i funkcionalno biti posve adekvatna zamjena prirodnom. Iako nas od toga dijele još brojna tehnološka i klinička istraživanja na području biomaterijala, prvi koraci su vrlo obećavajući.

Biokompatibilni tkivni implantati

Tim stručnjaka s Fakulteta inženjerstva kalifornijskog sveučilišta UCLA dizajnirao je bio-printer za 3D-oblikovanje višekomponentnih biomaterijala, što je značajan korak prema 3D printanju složenih umjetnih tkiva i organa pogodnih za transplantaciju (točnije – implantaciju) i za druge medicinske svrhe, poput korektivno-plastične kirurgije. Znanstvena studija o postignutim rezultatima nedavno je objavljena u stručnom časopisu Advanced Materials.

"Živa tkiva su po svojoj građi i po funkciji vrlo složene biološke strukture. Ako želimo kreirati umjetna tkiva koja su ne samo anatomski nego i funkcionalno ispravna, moramo vrlo precizno rekreirati njihovu složenost", rekao je profesor Ali Khademhosseini, voditelj istraživanja. "Naš pristup predstavlja nov način stvaranja složenih biokompatibilnih struktura izrađenih od različitih biomaterijala."

Mikrofotografija živućeg tkiva uraslog u 3D-printani implantat s krvnim žilama
Mikrofotografija živućeg tkiva uraslog u 3D-printani implantat s krvnim žilama

Osnova ove napredne tehnologije je postupak 3D printanja višestrukim fotoaktiviranim biološkim "tintama" koji se zove stereolitografija, pri čemu se kao hardver koristi prilagođeni 3D bio-printer dizajniran oko dvije ključne inovativne komponente, osmišljene i razvijene u inžinjerskom timu na UCLA pod vodstvom prof. Khademhosseinija.

Biološke tinte u stereolitografskom 3D printeru

Prva je mikrofluidni čip (prikazan na naslovnoj fotografiji uz tekst): prozirna, ravna pločica veličine računalnog čipa s višestrukim ulazima, "bio-mlaznicama" od kojih svaka pri ispisivanju koristi drugu vrstu biomaterijala, odnosno umjetnog tkiva. Druga komponenta je digitalno mikro-zrcalo (micromirror), sastavljeno od preko milijun zrcala mikroskopske veličine, koja se neovisno kreću svako za sebe.

Istraživači su u printanju koristili posebnu vrstu hidrogela, popularno nazvanog „bio-tinta“, materijala koji nakon prolaska kroz 3D printer formira osnovnu tkivnu mrežu. Mikro-zrcala usmjeravaju svjetlo izravno na površinu za ispis, a osvijetljena područja određuju obrise 3D tkiva koji se ispisuje, pri čemu svjetlosni impulsi istovremeno fotoaktiviraju stabilne molekularne veze u hidrogelu, što uzrokuje stvaranje čvrste tkivne strukture. U svakom sljedećem mikroskopskom sloju umjetnog tkiva mikro-zrcala mijenjaju svjetlosni predložak, što ima za posljedicu da je isprintani tkivni uzorak randomizirano varijabilan kao i pravo, živo tkivo.

3D printano tkivo renalnih krvnih žila i funkcionalnog dijela bubrega
3D printano tkivo renalnih krvnih žila i funkcionalnog dijela bubrega

Ovaj postupak – nazvan automatizirani stereolitografski bioprinting – po prvi puta u 3D-printanju istovremeno koristi više vrsta hidrogela (bio-tinte), što je napredak nad konvencionalnim stereolitografskim bioprintingom, kod kojega se koristi samo jedna vrstu hidrogela. U objavljenim rezultatima istraživanja istovremeno su korištene četiri vrste bio-tinti, a autori studije pišu da je korištenje još više vrsta biogelova u 3D-oblikovanju biomaterijala tehnički posve izvedivo.

3D printanje karcinoma

Isprva uspješno printajući jednostavne geometrijske oblike, istraživački tim je uskoro prešao na složene strukture koje su vjerna imitacija dijelova mišićnog tkiva i još složenijih kombinacija, poput mišićno-koštano-vezivnog tkiva.

Biološka kompatibilnost 3D-printanih koštano-mišićno-vezivnih tkivnih struktura testirana je implantiranjem u laboratorijske štakore. Nije došlo do odbacivanja tih tkiva, što pokazuje da su umjetni biomaterijali imunotransplantacijski neutralni, poput npr. medicinskih čelika ili titanija, materijala koji se koriste za ugradnju umjetnih kukova.

Naposlijetku su 3D-printerom kreirali umjetno tumorsko tkivo sa složenom mrežom krvnih žila. Takvi 3D-printani tumori se mogu koristiti kao posve funkcionalni biološki modeli za laboratorijsko proučavanje učinkovitosti farmakoloških ili radioterapijskih intervencija na progresiju različitih vrsta karcinoma.

 

Dr. Igor „Doc“ Berecki, rođen 1961., pedijatar je na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Od posla se opušta antistresnim aktivnostima: od pisanja svojevremeno popularnih tekstova i ilustracija u tiskanom izdanju časopisa BUG, crtkanja grafika i dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, te fejsbučkog blogiranja o craft-pivima, životnim neistinama i medicinskim trivijama, sve do pasioniranog kuhanja posve probavljivih jela i sviranja slabo probavljivog bluesa.