Zvjezdani je datum 11247.3 i upravo ste u kvadrantu Alfa teleportirani na matični brod HSL Čavoglave nakon što ste lakše ozlijeđeni u napadu okrutne Lane Klingon: naime, snop iz laserske strojnice vam je odrezao i dezintegrirao desnu ruku u ramenu. U med-podu vas dočekuje hologramska projekcija dr. Leonarda „Bones“ McCoya i nakon brze dijagnostike medicinskim trikoderom stavlja vas u bio-bed, gdje vam stroj za bioprintanje korištenjem biološke tinte načinjene od vaših matičnih stanica u roku od par minuta izrađuje novu junačku desnu ruku. U prolazu prema teleporteru novom desnicom dajete high-five prvom časniku, androidu Njonji i vraćate se u bitku kao da se ništa nije dogodilo.

Stereolitografija i FDM

A potom, nakon što ste se kod kuće probudili iz tog sna u svom krevetu, protegnete se, ustajete i odlazite do računala, pa kliknete link na portal Bug.hr kako biste u tekstu koji slijedi pročitali da više uopće nismo toliko daleko od sličnih, donedavno posve znanstveno-fantastičnih scenarija: već danas se suvremenim metodama biološkog 3D-ispisa (bioprinta) u dijelovima ili cijelosti izrađuju ljudska srca, tkivo jetre, gušterače, pluća i bubrega, čitave kosti, mišići i zglobne hrskavice, krvne žile, koža, pa i prvi uspješni pokusi regeneracije živaca i neuronskih mreža pomoću bioprintanih živčanih implantata.

3D-printanje je svoj tehnološki razvoj započelo još 1980-ih s pojavom stereolitografije koja je omogućavala brzu izradu prototipova, kalupa i gotovih proizvoda korištenjem „tinte“ od tekućih smola koje su u slojevima stvrdnjavane tako što su osvjetljavane laserskim UV-snopom. Kroz 1990-e i 2000-e tehnologija se razvijala i komercijalizirala, vodeći do patenata poput FDM-a (fused deposition modeling), koji je postao temelj za većinu cjenovno pristupačnih kućnih 3D pisača. FDM tehnologija koristi termoplastične filamente za izgradnju objekata sloj po sloj, a pokazala se pristupačnijom i jednostavnijom za „male“ korisnike.

Razvoj pristupačnih 3D-pisača podržanih open-source softverom pružio je širem krugu ljudi mogućnost da istražuju i koriste 3D-printanje kod kuće. Posljedično tome, zahvaljujući komercijalno dostupnim kompaktnim kućnim printerima i zajednici otvorenog koda, popularizirana je izrada 3D ispisanih personaliziranih predmeta i dijelova, te početkom 2010-ih 3D tisak doživljava značajnu ekspanziju.

Ipak, prilično brzo nakon vrhunca popularnosti kućnog 3D ispisa dolazi i do naglog pada interesa za nabavku i korištenje takvih uradi-sam 3D pisača. Većina amaterskih, kućnih korisnika je za probu izradila nekolicinu omiljenih plastičnih figurica iz videoigara i nadomjesnih dijelova za potrgane kuhinjske aparate, da bi nakon par mjeseci zabave njihovi kućni printeri počeli nakupljati prašinu i polako padati u zaborav. Ipak, 3D tisak je pronašao svoju ozbiljniju namjenu i mjesto u industriji, inženjerstvu, pa i u biološkim znanostima, o čemu ćemo nešto više reći u ovom tekstu.

Biokompatibilni biotisak biomaterijala biotintom

Ispis tkiva i organa je jedan od zaista revolucionarnih napredaka u medicini, inovacija koja ima potencijal da dramatično promijeni pristup korektivnoj kirurgiji, liječenju i regenerativnoj medicini.

Zadnjih nekoliko godina se napredak u 3D bioprintanju tkiva i organa prometnuo u najznačajniju novost u transplantacijskoj i regenerativnoj medicini, s visokom preciznošću omogućujući stvaranje složenih živih tkiva i funkcionalnih organa. Ključni element ovog procesa je upotreba biotinte, kompozitne mješavine biološkog materijala, živih stanica i drugih organskih i anorganskih komponenti. „Sirovine“ za biotintu (primjerice alginat, želatina, kolagen ili polietilen glikol) odabiru se po kriterijima biokompatibilnosti i sposobnosti izgradnje i oblikovanja ekstracelularne (izvanstanične) matrice, svojevrsnog biološkog „skeleta“ u kojega se već tijekom ispisa mogu „naseliti“ žive stanice i tkiva.

Osim što kod bioprintanja „tinta“ ima organsko porijeklo ili je doslovce građena od živućeg tkiva, sâme tehnologije nisu značajno različite od „klasičnih“, ne-bioloških, te uključuju inkjet, ekstruzijski ispis, stereolitografiju i laserski potpomognuti ispis. Ove metode omogućavaju precizno kontroliranu izgradnju složenih struktura tkiva, kao što su kosti, hrskavica, koža i vaskularna tkiva. Procesi poput laserski potpomognutog bioprintanja omogućuju precizno usmjeravanje stanica na željena mjesta unutar tkivnog konstrukta.

Praktična primjena ovih tehnologija vidljiva je u izradi funkcionalnih organa kao što su srce, jetra i pluća, te u rekonstruktivnoj kirurgiji i izradi drugih bioloških usadaka (implantata). Zadnjih godina evidentan je i značajni napredak u 3D-inženjeringu vaskulariziranih tkiva, jer je ugrađivanje krvnih žila u bioprintana tkiva ključno za održivost i vitalnost bioimplantata putem osiguranja adekvatne opskrbe krvlju i hranjivim tvarima.

Tehnologija 3D bioprintanja služi i u eksperimentalnom modeliranju organa za istraživačke svrhe, odnosno za razvoj modela organa na čipu (o čemu smo u nekoliko navrata već pisali na Bug.hr), što predstavlja značajan napredak u testiranju novih lijekova i u personaliziranoj medicini. Ova tehnologija povezuje biološke znanosti s inženjeringom, nudeći platformu za točno konstruiranje tkiva i organa koji vjerno oponašaju funkciju i strukturu njihovih prirodnih ekvivalenata.

Litografija cirkonije

Jedan od najnovijih i najinteresantnijih primjera praktične kliničke primjene 3D-bioprintanja su keramički biološki implantati, kod kojih se napredne tehnologije koriste za stvaranje individualno prilagođenih i biokompatibilnih rješenja za pacijente kojima su potrebne zamjene cijelih kostiju ili njihovih dijelova. Ovi implantati, izrađeni uglavnom od cirkonije, koriste tehnologiju LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing), koja omogućuje precizno i slojevito stvaranje keramičkih struktura. Cirkonija se – baš kao i u dentalnim implantatima – koristi zbog svoje izvrsne biokompatibilnosti i mehaničke čvrstoće, što je čini idealnim materijalom za medicinske implantate.

LCM tehnologija (proizvodnja keramike temeljena na litografiji), napredna metoda 3D ispisa koja se koristi za stvaranje visoko preciznih keramičkih komponenti, koristi svjetlo za obradu fotoosjetljive smole u koju su integrirane keramičke čestice. Proces se odvija u nekoliko ključnih koraka, a započinje pripremom smole, tj. izradom homogene smjese tekuće smole obogaćene ravnomjerno distribuiranim keramičkim česticama. Nakon toga se željeni model pomoću UV svjetla digitalno projicira na površinu smole (tzv. digitalno maskiranje). Područja izložena UV svjetlu se stvrdnu, dok ostala područja ostaju tekuća, a taj proces se ponavlja sloj po sloj dok se ne ispiše cijeli model. Nakon ispisivanja objekt prolazi kroz tzv. debinding, proces gdje se pri visokim temperaturama uklanjaju tragovi organskih komponenti. LCM proces se dovršava sinteriranjem, postupkom u kojem se konačno oblikovani predmet zagrijava do visokih temperatura na kojima keramičke čestice koalesciraju (uzajamno se vezuju i stapaju) u čvrst, porculanski materijal.

Osnovne prednosti LCM tehnologije su izuzetno visoka razina detalja i sposobnost stvaranja složenih geometrija koje je teško ili nemoguće izraditi tradicionalnim keramičkim tehnikama, pa se stoga već više od desetljeća koristi za proizvodnju visokokvalitetnih zubnih implantata i krunica, a najnovije područje primjene našla je u reparativnoj medicini: primjer najnovije primjene keramičkih bioloških implantata je subperiostalni implantat donje čeljusti, koji je nedavno prvi puta u svijetu bečka tehnološka tvrtka Lithoz uspješno implementirala pacijentu s teškim atrofijama kostiju koje su onemogućavale uobičajene korektivne zahvate poput klasične transplantacije kosti.

Takvo korištenje keramičkog implantata omogućuje manje invazivne kirurške postupke zamjene oštećene ili atrofirane kosti i smanjuje vrijeme oporavka za oko 75%, uz izbjegavanje potrebe za dodatnim kirurškim zahvatima. Cirkonijev dioksid, keramički materijal korišten za 3D-ispis Lithozovog implantata, zahvaljujući svojoj strukturi potiče integraciju s okolnim tkivima bez potrebe za dodatnim kirurškim intervencijama.

Cirkonija, kalcijev fosfat, hidroksiapatit...

Cirkonijev dioksid (ZrO2, poznat i kao cirkonija) postao je vrlo popularan u dentalnoj kirurgiji krajem 20. stoljeća prvenstveno zbog svoje biokompatibilnosti, izdržljivosti i estetski prihvatljive bijele boje, što ga je činilo idealnim za upotrebu u dentalnim implantatima i protetici. Cirkonija se kemijski stabilizira dodavanjem itrija ili drugih oksida, što stvara tzv. "tetragonalnu fazu stabilizirane cirkonije" (Y-TZP) koja joj daje visoki stupanj mehaničke čvrstoće i otpornosti na pukotine - ključni preduvjet za dugotrajnost dentalnih implantata, a sve se više koristi i izvan dentalne kirurgije za 3D-printanje kostiju kao što su kralješci, kosti zdjelice ili udova.

Posebno inovativan pristup koji uključuje cirkonij koristi se u tehnikama poput Ceramic Omnindirectional Bioprinting in Cell-suspensions (COBICS), gdje se posebne keramičke tinte koje sadrže čestice kalcijevog fosfata Ca₃​(PO₄​)₂​ koriste za ispis  struktura sličnih kostima koje unutar svoje porozne strukture sadrže žive stanice. Ova tehnika bi trebala omogućiti ispis izravno "u tijelo", u tkivo pacijenta na kirurškom stolu, što je kvantni skok u odnosu na dosadašnje načine kirurške reparacije oštećenih ili oboljelih kostiju​. Sci-fi "popravci" ozljeda i ad hoc ispis novih organa i udova sve manje su znanstvena fantastika.

Cirkonija nije jedini keramički materijal pomoću kojega se 3D-bioprintanjem izrađuju koštani implantati.  Materijal nazvan LithaBone HA 400, temeljen na mineralu hidroksiapatitu Ca₁₀​(PO₄​)₆​(OH)₂, nudi poboljšan ispis zbog preciznije geometrije i veće biokompatibilnosti implantata. Osim toga, zbog svojih mineralnih svojstava, hidroksiapatitna 3D-proteza se nakon implantacije postupno resorbira, te tijelo prirodno zamjenjuje implantirani materijal vlastitim koštanim tkivom, što omogućuje bolju i prirodniju integraciju s ljudskim kostima.

Ove inovacije predstavljaju značajan korak naprijed u medicinskoj primjeni 3D-bioispisa, pružajući nova rješenja za pacijente koji zahtijevaju specifične i prilagođene medicinske implantate.

^{Igor „Doc“ Berecki je pedijatar-intenzivist na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Pobornik teorijske i praktične primjene medicine i znanosti temeljene na dokazima, opušta se upitno ne-stresnim aktivnostima: od pisanja znanstveno-popularnih tekstova i objavljivanja ilustracija u tiskanom izdanju časopisâ BUG, crtkanja računalnih grafika i primijenjenog dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, fejsbučkog blogiranja o životnim neistinama i medicinskim istinama, sve do kuhanja upitno probavljivih craft-piva i sasvim probavljivih jela, te neprobavljivog sviranja bluesa.}