Mnogo puta viđeno u znanstveno-fantastičnim filmovima: astronauti predodređeni da na svoju daleku zvijezdu stignu nakon mnogo stotina godina putuju u uspavanom, hiberniranom, točnije rečeno zaleđenom stanju. Jer što ima jednostavnije nego čovjeka zamrznuti, u led ga pretvoriti, a poslije odmrznuti – naravno, opet u živom stanju!

Ali neće to tako ići. Pri zamrzavanju nastaju kristali leda koji razaraju stanice. I ne samo to. U ledu se voda nalazi u čistom stanju, što znači da iza leda zaostaje voda s višom koncentracijom soli, pa slana voda – kao u kobasicama – ubija stanice osmotskim tlakom.

Isto je i kod 3D-ispisa (3D printing) živog tkiva. Iako se na prvi pogled sve čini jednostavnim – u tintu za trodimenzijski ispis treba staviti stanice tkiva – ispisano tkivo (ili organ) mora izdržati niske temperature (dok je u ledenici), a usto mora sprječavati rast bakterija (kad se ugradi). Treba još imati dobra mehanička svojstva, takva da po njima nalikuje živom tkivu ili organu. Kako napraviti takvu tintu?

Odgovor na to daje znanstveni rad kineskih znanstvenika objavljen u časopisu Matter: „Intrinsically cryopreservable, bacteriostatic, durable glycerohydrogel inks for 3D bioprinting“. Sudeći prema trima pridjevima iz naslova (cryopreservable, bacteriostatic, durable), Kinezi su uspjeli u svom naumu.

Sve počinje od obične želatine koja se otopi u vodi kojoj je dodat amonijav sulfat radi stabilizacije – uz još jedan važan sastojak: aldehid glutarne kiseline (glutaraldehid ili pentadial). Zašto baš ta kemikalija? Glutaraldehid služi za poprečno povezivanje polipeptidnih lanaca molekula želatine pri čime nastaje gel, no mnogo čvršći od gela čiste želatine, dobro nam poznate hladetine. Nakon toga slijedi najvažniji dio postupka, a to je djelomična zamjena vode glicerolom (glicerinom). 

Vezivanje glutaraldehida je reverzibilno, što znači da njegove molekule povezuju molekule želatine, ali ne trajno. Ako se gel (kruta želatina) izloži tlaku, a to se događa upravo kada se gel protiskuje kroz sapnicu pisača, čvrstoća mu opada pa prelazi u tekuće stanje, u stanje sola. No odmah pri izlasku iz sapnice, kada tlak opadne, molekule glutaraldehida pronalaze amino skupine na molekulama želatine, pa opet nastaje čvrsta tvar, gel.

Djelovanje glicerola je međutim kompleksnije. U vodenim gelovima (hidrogelovima) voda se nalazi u tri stanja. Neke su molekule H₂O čvrsto vezane za molekule proteina (želatine), druge slabo, a treće nikako. Ta treća vrsta molekula čini „slobodnu vodu“ (free water), a upravo se ta voda miješa s glicerolom te obavija žive stanice koje su usađene u gel. Glicerol sprječava zaleđivanje „slobodne vode“ – baš kao što sprječava zaleđivanje vode za pranje vjetrobrana – pa ne mogu nastati kristalići leda koji razaraju stanice. Ne samo to! Glicerol se veže za fosfolipide na staničnoj membrani te je dodatno učvršćuje. Usto dodatkom glicerola hidrogelu dio „slobodne“ vode prelazi u „vezanu“, a kako se „vezana“ voda, razumije se, čvršće drži za gel (jer se izravno veže za molekule želatine), ispis glicerolom se teže suši. Zahvaljujući svemu tome, stanice u gelu s glicerolom (glicerohidrogelu) lakše preživaljavaju nego u gelu koji sadrži samo vodu (hidrogelu). To su pokazali i eksperimenti opisani u rečenom radu: nakon tri dana u glicerohidrogelu preživjelo je 65 %, a u hidrogelu samo 34 % stanica.

I na kraju, evo nas i kod trećeg pridjeva iz naslova – „bakteriostatičan“ (bacteriostatic). Spomenutim smanjenjem volumena „slobodne vode“ nastaje okoliš presuh za bakterije, pa one u glicerohidrogelu ili ugibaju ili se prestaju dijeliti. Glicerol još sprječava izlazak vode iz bakterijske stanice pa ona puca uslijed promjene osmotskog tlaka. Tri dana nakon nasađivanja kulture stanica E. coli na hidrogel, njihov je broj počeo eksponencijalno rasti, dok je broj bakterija u gelu s glicerolom ostao gotovo nepromijenjen.

Toliko o svojstvima, a što se tiče primjene ona je jasna: 3D-ispis organa mogao bi zamijeniti transplantaciju. Kombinacije glicerola i želatine vode idu po svemu sudeći u dobrom smjeru, no trajnost takvih izradaka od desetak dana (u pogledu otpornosti na sušenje i zaštite od infekcija) još je uvijek premala.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije, povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji; član je društva ProGeo-Hrvatska i Odjela za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 15 znanstveno-popularnih knjiga - posljednja je „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.