3D BİYOBASIMDA (3D BIOPRINTING) KULLANILAN BİYOMALZEMELER

Biyomalzeme,

Biyomalzemeler, doku ve biyolojik sıvılarla temas halinde bulunan tanı sistemlerinde kullanılan canlılığı olmayan malzemelerdir. Polimerler, seramikler, metaller ve kompozitler biyomalzemelerin türleridir. Polimerler de kendi içlerinde doğal ve sentetik olarak ikiye ayrılmaktadır.

Doku mühendisliğinde kullanılan biyomalzemelerin özellikleri ;

Doku mühendisliğinde kullanılan biyomalzemelerin bazı özelliklere sahip olması gerekmektedir. Farklı biyobasım teknikleri, verimli bir doku iskelesi (scaffold) üretebilmek için kullanılacak biyomalzemenin şekillendirilebilir (formability) olmasını gerektirir. Yani seçilen biyomalzemeler biyobasım ile uyumlu olmalıdır. Sıvı süspansiyon formundaki biyomalzemeler tercih edilir. Bir hidrojelin su miktarı, absorpsiyon oranını ve hidrojel boyunca çözünen biyomalzemelerin difüzyonunu belirler. Hidrojelin su içeriği (water content) kontrol edilebilir olmalıdır. Hidrojel gerekenden daha fazla su içeriğine sahipse hücrelerin proliferasyon (hücrelerin çoğalması) oranı bozulabilir. Biyouyumluluk (biocompatibility), biyomalzemelerin kritik özelliğidir. Biyomalzemeler, insan vücudu ile etkileşime girdiğinde herhangi bir toksik etki oluşturmayan, uygun bir konak cevabı  (host response) gösteren malzemeler olarak tanımlanabilir. İnsan vücuduna nakledilecek implantların uygun mekanik özelikler göstermesi gerekmektedir. Aşınmaya sebep olan implantlar farklı problemleri de tetikleyecektir. Doku iskelesi üretiminde kullanılan biyomalzemelerin bozunma (biodegradability) özellikleri kritik öneme sahiptir. Polimer degradasyon hızının doku büyüme hızı ile eşzamanlı ilerlemesi gerekir.

Polimerler, tekrarlanan monomerlerden oluşan büyük moleküller olup doğal ve sentetik olmak üzere ikiye ayrılır. Doğal polimerler, doku mühendisliğinde ve biyobasımda kullanılan hidrojellerdir. Jelatin, kolajen, hyaluronik asit (HA), fibrin, aljinat ve kitosan doğal polimerlere örnek olarak verilebilir.

İyi bilinen bir protein olan kolajen, doğal ECM’nin (extracellular matrix) ana bileşeni ve aynı zamanda memeli dokularında en çok bulunan protein olduğu için biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. 20’den fazla kolajen türü bulunmuştur. Ancak bunların temel yapıları aynıdır. 3 polipeptit zincirinden oluşmaktadır. Bu üç zincir birbirini sararak üç halatlı bir ip yapısı oluşturur. İplikler, kovalent bağları ve hidrojen bağları ile bir arada tutulur. Stabil kolajen lifleri, başlangıçta kendi kendine toplanan ipliklerin bir sonucu olarak oluşabilir. Ayrıca, kollajen liflerinin mekanik özellikleri, karbodiimid (carbodiimide ) ve glutaraldehit gibi kimyasal çapraz bağlayıcılar eklenerek geliştirilebilir. Bununla birlikte, kolajen düşük mekanik özelliğe sahiptir. Kolajenin doku iskelesi basımında ve doku mühendisliği uygulamaları için daha uygun hale getirmek için kolajen solüsyonlarının termal polimerizasyonu ile birlikte kovalent bağlama ve ışınlama çapraz bağlama yöntemleri uygulanır. Ayrıca kolajen çözeltisinin aljinat, jelatin ve hyaluronik asit gibi biyomalzemelerle karıştırılması mekanik özellikleri iyileştirmek için kullanılmaktadır.

Protein bazlı bir polimer olan jelatin, kolajenin kısmi hidrolizi yoluyla elde edilir. Kimyasal ön işlem ve ardından ısıl işlem, kolajen protein yapısını bozarak sarmaldan sarmala geçişe ve çözünür jelatine dönüşmesine olanak sağlar. Jelatin, sıcaklıktaki bir değişiklik sırasında jelleşmeye uğrar. Bununla birlikte jelatin, metilakrilat grubunun eklenmesiyle fotopolimerize edilerek hidrojele dönüştürülebilir. Bu hidrojel metilakrilatlı jelatin veya GelMA olarak bilinmektedir. Literatürde GelMa kullanılarak üretilen doku iskeleleri mevcuttur.

Fibrin, kan pıhtılaşması sırasında vücutta doğal olarak oluşan lifli bir proteindir. Genellikle trombin ve fibrinojen solüsyonlarından oluşan yapıştırıcı olarak kullanılır. Cerrahide ise kanamayı kontrol eden fibrin yapıştırıcısı olarak karşımıza çıkar. Ayrıca, yara iyileşme süresini önemli ölçüde azaltarak deri greftleri için umut vaat etmektedir.

Aljinat çeşitli tıbbi uygulamalarda karşımıza çıkmaktadır. Kahverengi deniz yosunlarından ve bakterilerden elde edilebilir. Kıkırdak onarımı, kalp kapakçığı hasarlarının giderilmesi aljinatın doku mühendisliğindeki kullanım alanlarına örnek olarak verilebilir.

Kitin ve kitosanın yara pansumanında ve ilaç uygulamasında yararlı olduğu gösterilmiştir. Kitin, rastgele dağılmış N asetil-glukozamin ve N-glukozamin birimlerinden oluşan bir polisakkarittir. Kitosan, deasetillenmiş bir muadili olan kitin varyantıdır. Biyopolimer, N-asetil-glukozamin birimlerinin sayısı % 50’den fazla ise kitin olarak adlandırılmaktadır. Aksi takdirde biyopolimer kitosan olarak adlandırılır. Kitin ve kitosan, ticari olarak karides ve yengeç gibi kabuklu deniz ürünleri kaynaklarından elde edilir.

Agaroz, deniz yosunundan saflaştırılmış suda çözünür bir polisakkarittir. Agaroz çözeltisi, sıcaklık 26 ile 30 ° C arasına düştüğünde hızla jelleşebilir, bu da onu iskele imalatında biyo yazdırılabilir bir malzeme olarak uygun hale getirir. Canlı hücreler, biyouyumlu agaroz solüsyonlarına karıştırılabilir. Agaroz hidrojeller, kapsüllenmiş hücrelerin farklılaşmasını destekleyebilir.

Hyaluronik asit (HA), kompozit hidrojellerin hazırlanmasında hem aljinat hem de kolajen ile birleştirilebilen bir glikozaminolglikandır (GAG). Ağırlıklı olarak bağ, epitel ve sinir dokularında yer alır. Hyaluronik asit, kliniklerde yara iyileşmesi için dermal dolgu maddesi olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Hyaluronik asit, suda çözünürdür ve elde edilen çözelti yüksek viskoziteye sahiptir. Bu nedenle, biyobasımda diğer biyomalzeme solüsyonlarının viskozitesini ayarlamak için genellikle yardımcı malzeme olarak kullanılır. Ayarlanabilir fiziksel ve biyolojik özellikler, HA’yı hücreleri dahil etmek için uygun bir malzeme yapar.

Sentetik polimerler ise doku iskelesinin yüksek mekanik dayanıma sahip olmasını sağlar. Poly-L-lactic-acid (PLLA), poly glycolic acid (PGA), polycaprolactone (PCL), polyviny alcohol (PVA ) ve polylactide-co-glycolide (PLGA) sentetik polimerlerdir.

PVA, poli vinil asetat’ın hidrolizinden elde edilir. Jel halini elde etmek için PVA, kimyasal veya fiziksel yöntemlerle çapraz bağlanır. Hidrojeller üretmek için foto kürlenebilir. PVA hidrojelleri nötrdür. Proteinlere ve hücrelere yapışmaz. Düşük bir sürtünme katsayısına sahiptirler ve yapısal özellikleri doğal kıkırdağa benzerlik göstermektedir.

PEG,  biyouyumlu ve hidrofilik bir malzeme olup homopolimeri, yoğunlaşma yoluyla etilen oksitten polimerize edilebilen bir polieterdir. PEG hidrojelleri, doku mühendisliği uygulamaları için en başarılı sentetik hidrojellerden biri olarak kabul edilmiştir. Işıkla sertleştirilebilir PEG hidrojelleri, inert olmaları hasebiyle hücre kapsüllemesinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

Seramikler ve camlar, çeşitli organik ve inorganik metal olmayan bileşimleri içeren biyomalzemeler olup doku mühendisliğinde kullanılmaktadır. Sentetik hidroksiapatit (HAP), kimyasal olarak kemik mineraline benzerlik göstermesi hasebiyle kemik onarımında kullanılan seramik biyomalzemedir. Sentetik hidroksiapatit doğal malzemelerden yahut çözelti kimyası kullanılarak üretilebilir. Kemik hücrelerinin bağlanmasını, hücre göçünü, çoğalmasını ve fenotipik ekspresyonu kolaylaştırarak yeni kemik oluşumunu sağladığı için osteokondüktif (osteoconductive) olarak kabul edilir.

3D biyobasımda hidrojelin belirlenmesi kritik öneme sahip olup taklit edilecek (mimic) dokuların yahut organların içeriğine ve yapısına göre değişiklik göstermektedir. Yukarıda bahsettiğimiz biyomalzemelerin dışında amaca ve çalışmaya yönelik farklı kimyasal özelliklere sahip biyomalzemeler de geliştirilmektedir. Yayınlanan güncel makaleleri takip ederek geliştirilen biyomalzemeler hakkında bilgi sahibi olabilirsiniz.