California San Diego Üniversitesi’ndeki bir araştırma ekibi, yüksek hücre yoğunluğu, yüksek hücre canlılığı ve biyobaskı çözünürlüğü gibi temel gereksinimleri karşılarken, 3D mühendislik ürünü dokuların biyobaskısında en can sıkıcı sorunlardan bazılarını çözmede önemli ilerlemeler kaydetti.
Biyobaskı teknolojisi, biyolojik yapıları ve dokuları oluşturmak için hücreleri ve biyopolimeri kullanan 3 boyutlu baskı teknolojisine dayanmaktadır. Canlı hücrelerden ve biyomalzeme yapı iskelelerinden yapılan laboratuvarda üretilmiş işlevsel 3D mühendislik ürünü dokular, ilaç geliştirme, organ nakilleri, rejeneratif tıp, kişiselleştirilmiş tıp, hastalık modelleme vb. biyomedikal uygulamalar için önemli bir potansiyele sahiptir. 3 boyutlu dokuların kullanımı, ilaç geliştirme sürecine önemli bir hız ve bütünlük kazandırmanın yanı sıra organ bağışı eksikliği ve bağışıklık reddi ile ilgili zorlukların hafifletilmesine yardımcı olabilir.
Dijital ışık işleme (DLP) biyobaskı teknolojisi, umut verici 3D biyobaskı türlerinden biridir. 3D bioprinting’in bu dalında pratik ve teknik engeller bulunmaktadır. Yüksek hücre yoğunluğuna ve yüksek çözünürlüğe sahip dokuları yazdırmanın zor olduğu kanıtlanmıştır.
Araştırma ekibine liderlik eden nanomühendislik profesörü Shaochen, baskıdan sonra, hücrelerin olgunlaşmasına veya işlevsel bir doku halinde yeniden organize olmasına izin vermek için yapıyı kültür ortamına bıraktıklarını dile getirdi ve hücrenin bir tohuma benzediğini, her hücre tipinin, filizlenmenin en güçlü olduğu belirli bir yoğunluğu olduğunu da ekledi.
Mevcut yaklaşımları kullanarak, DLP tabanlı 3 boyutlu biyobaskıda kullanılan biyouyumlu bir polimer olan biyomürekkebin içindeki hücrelerin varlığı ne kadar yoğunsa, ışık o kadar fazla dağılır ve baskı çözünürlüğünü engeller. Araştırmacılar, biyomürekkebin yeni bir bileşeni olan kontrast maddesi iyodiksanol sayesinde yüksek hücre yoğunlukları ve yüksek çözünürlükte baskı yapmalarına olanak tanıyarak bu ışık saçılımı etkisini on kat azalttı.
İyodiksanol kontrast maddesi kullanılarak hücrelerin ışık saçılımını azaltmak için DLP tabanlı biyobaskı için kırılma indeksi uyumlu bir biyomürekkep geliştirildi, baskı kalitesini artırmak için enerji, kullanıcı tanımlı ışık modeli içinde yoğunlaştırıldı.
Chen’in laboratuvarı yaklaşık yirmi yıldır DLP tabanlı 3D baskı ve biyobaskı tekniklerinin geliştirilmesine yön vererek modern 3D biyoüretim için temel oluşturmaya yardımcı olmaktadır.
DLP tabanlı 3B biyobaskı teknolojisi, 3 boyutlu modelin iki boyutlu enine kesitini foto çapraz bağlanabilir biyomürekkebe yansıtmak için bir dijital mikro ayna cihazı (DMD) kullanır. Sentetik yahut doğal olabilen foto çapraz bağlanabilir biyomürekkep ışığa maruz kaldığında katılaşır. Daha sonra cihaz, platformu motorlu bir sistemle yükselterek işlem görmemiş biyomürekkebin boşluğu yeniden doldurmasına olanak tanır. Bir sonraki kesit hidrojele yansıtıldığında, yeni bir katman çapraz bağlanır ve süreç tekrarlanır.
Hücrelerin biyomürekkebe dahil edilmesi, biyomürekkepte yansıtılan ışığı bulanıklaştıran ciddi ışık saçılımına neden olabilir. Sonuç olarak, yeni oluşturulan katmanlar, yansıtılan kesitlerin ince ayrıntılarını kopyalayamaz. Biyomürekkebin kırılma indisini ayarlamak, bu saçılma etkisini en aza indirir ve üretimi önemli ölçüde geliştirir. Chen Laboratuvarı’nın araştırması, hücre yoğunluğu 0,1 milyar/mL kadar yüksek olan kırılma indeksi uyumlu jelatin metakrilat (GelMA) biyomürekkebinde ~ 50 µm özellik boyutunun elde edilebileceğini gösteriyor.
Yi Xiang , farklı biyomürekkepler ve bunları işlemek için çeşitli protokoller geliştirdiklerini fakat daha büyük dokuların üretiminde, uzun baskı süresiyle, hücrelerdeki ve biyomalzemelerde bulunan tutarsızlığın arttığını, bu nedenle hem malzeme bileşimini hem de işleme prosedürlerini değiştirmek ve optimize etmek zorunda kaldıklarını ifade etti.
Bu çalışmada, iyodiksanol maddesi, yüksek hücre yoğunluğunda ve uzun maruz kalma aralıklarıyla DLP biyobaskı teknolojisinde bir biyomürekkep olarak ilk defa kullanılmıştır. İyodiksanolün aracılık ettiği iyileştirilmiş baskı çözünürlüğü ile, 17 x 11 x 3.6 mm3 toplam boyutunda ve yüksek hücre yoğunluğuna sahip, önceden vaskülarize edilmiş bir doku üretildi.
Chen, böyle kalın bir dokunun in vitro kültürünün, sınırlı oksijen ve besin difüzyonu ile engellendiğini, uzun süreli kültür için bir perfüzyon sistemiyle arayüz oluşturan, çapı 250 µm – 600 µm arasında değişen, dokuya gömülü perfüze edilebilir vasküler lümenler yazdırabildiklerini, vasküler lümenlerin endotelize edildiğini ve kalın dokunun kaldığını gösterdiklerini ve 14 günlük kültür için uygun olduğunu dile getirdi.