Arda Gozen professzor egy olyan jövőt vizionál, amelyben az orvosok egy gombnyomással ki tudnak nyomtatni egy állványzatot a 3D nyomtatójukon, és egyedi bőr-, porc- vagy egyéb szövetpótlást készíthetnek pácienseik számára.
Az elmúlt évtizedekben a kutatók azon dolgoztak, hogy biológiai anyagokat használjanak a 3D nyomtatásban, hogy szöveteket vagy szerveket hozzanak létre a sérülésből vagy betegségből felépülő betegek számára. A 3D nyomtatás, vagy additív gyártás alkalmazása lehetővé teszi az összetett, porózus és személyre szabott struktúrák nyomtatását, és egy nap lehetővé teheti az orvosok számára, hogy a páciensek testének és igényeinek megfelelő szöveteket nyomtassanak ki. A biológiai struktúrák létrehozásához “biotinta” néven ismert biológiai anyagokat adagolnak egy fúvókából, és rétegenként rakják le, így komplex “állványzatot” hoznak létre a valódi biológiai anyag számára, és megfelelő helyet biztosítanak a sejtek számára a növekedéshez.
A természet azonban eddig bonyolultabb volt, mint amennyire a kutatók lépést tudtak tartani vele. A valódi biológiai sejtek szeretnek olyan állványzaton növekedni, amely megközelíti a saját tulajdonságaikat. Így például egy bőrsejt olyan állványzaton akar növekedni, amely olyan, mint a bőr, míg egy izomsejt csak olyan állványzaton fog fejlődni, amely olyan, mint az izom.
Egy 3D-nyomtatott orrváz.
“A módszer sikere a funkcionális szövetek előállításában nagyban függ attól, hogy a gyártott struktúrák mennyire jól utánozzák a natív szöveteket. Ha sejteket akarunk növeszteni és funkcionális szövetté alakítani, akkor meg kell felelnünk a natív szövet mechanikai környezetének” – mondta Gozen.
A kutatók hagyományosan úgy variálták az állványzatokat, hogy egyszerűen eltávolítottak összekötő elemeket, hogy lágyabbá vagy merevebbé tegyék őket – ez a módszer túl egyszerű ahhoz, hogy a szövettechnológia összes szükséges komplexitását kezelje.
“Nincs sok gomb, amit el tudunk forgatni” – mondta Gozen. “Több szabadságfokozatra van szükségünk, hogy a szerkezet megváltoztatása nélkül hozzunk létre valami lágyabbat vagy keményebbet.”
A kutatócsoport egy új biotinta anyagot fejlesztett ki, amely lehetővé teszi a tulajdonságok testre szabását, hogy közelebb kerüljön ahhoz, amire a sejteknek szükségük lehet. Az állványzatuk összetevői közé tartozik a zselatin, a gumiarábikum és a nátrium-alginát, amelyek mind gyakori sűrítőanyagok, melyeket számos élelmiszerben használnak.
Hasonlóan ahhoz, ahogyan egy vastag kötél fonott szálakból készül, a kutatók három különálló kémiai eljárást alkalmaztak, hogy a három összetevőt egyetlen, nyomtatásra alkalmas állványanyaggá kössék össze.
A különálló kémiai folyamatokkal való játék ezután módot ad az anyag mechanikai tulajdonságainak finomhangolására, így lágyabb vagy merevebb végső állványzatot tudnak készíteni.
“Ez lehetővé teszi a tulajdonságok hangolását az állványzat kialakításának megváltoztatása nélkül, és egy további szabadságfokot biztosít, amelyre mi törekszünk.”
Szöveti állványzat 3D nyomtatása
A kötélszálak közötti kémiai kötések beállításával nem változtatták meg jelentősen az anyagot, és az alkalmas volt a porcsejtek növesztésére.
A munka még korai stádiumban van, a kutatók szeretnék kitalálni, hogyan lehet még pontosabban beállítani a folyamatot és a végső anyagot. Megvizsgálhatják például a három anyaguk összetételének variálását vagy a különböző hőmérsékleten történő nyomtatást.
A természetes szövetek hatalmas komplexitásának utánzása továbbra is kihívást jelent. Még egy egyszerű, milliméteres porcdarab a térdben például is három különálló és jól elkülönülő rétegből áll, amelyek mindegyike különböző mechanikai tulajdonságokkal és funkciókkal rendelkezik.
“Itt nem legókat rakunk össze. Mindig arról van szó, hogy a testtel együtt működő természetet kell lemásolni” – mondta Gozen. “Lehet élő struktúrákat létrehozni, de azok egyáltalán nem hasonlítanak a natív szövetekre. A precizitás kulcsfontosságú, mert nincs egyetlen mechanikai tulajdonság, amely egyetlen szövetdarabot megcélozna.”
