Biodruk 3D w pigułce – historia

Na łamach naszego portalu możecie znaleźć wiele artykułów, które zadają kłam przekonaniu, że druk 3D jest nową technologią. Mimo, że metoda addytywnego wytwarzania liczy sobie ponad trzydzieści lat, to szczyt swojej popularności osiągnęła stosunkowo niedawno, a teraz jest sukcesywnie wdrażana w różnorodnych dziedzinach (m.in. przemyśle czy medycynie).

Skoro coraz więcej czytamy i słyszymy na temat technologii biodruku 3D, na kiedy zatem datuje się jej powstanie? Jak pewnie się spodziewacie metoda, która ciągle ewoluuje i zmienia świat nauki na naszych oczach ma swój początek jeszcze w latach dziewięćdziesiątych…

Lata 80 i 90 XX wieku

Dla całej branży technologii przyrostowych szczególną datą jest rok 1984, kiedy to Charles Hull opracował metodę stereolitografii, która pozwoliła na tworzenie modeli warstwa po warstwie. Wtedy jeszcze niewielu mogło przypuszczać, że nowo opracowana technologia może mieć realny wpływ na rozwój nowoczesnej nauki i medycyny.

Przez następne lata trwały prace nad rozwojem nowych materiałów eksploatacyjnych oraz metod druku 3D. Sukcesywne poszerzane spektrum potencjalnych aplikacji zainicjowało poszukiwania zastosowań dla druku 3D również w obszarze nauki, wykorzystując materiały hydrożelowe.

Kilka lat później, w 1996 roku dr. Gabor Forgacs, późniejszy założyciel Organovo, badając zachowania komórek zauważył, że mogą być łączone w zupełnie nowe, przestrzenne struktury. Według źródeł, wtedy również zaczęto wykorzystywać biomateriały w medycynie regeneracyjnej. W 2000 roku na Uniwersytecie Wake Forest po raz pierwszy zaprojektowany został przestrzenny skaffold, który wykorzystano do stworzenia pierwszego na świecie syntetycznego organu. Rusztowanie zostało zasiedlone komórkami macierzystymi biorcy, tak aby wykluczyć potencjalny problem z odrzuceniem „wyhodowanego” organu przez układ odpornościowy pacjenta. 10 lat po implantacji pacjent nie wystąpiły żadne niebezpieczne powikłania.

Projekt prowadzony był przez profesora Anthony’ego Atala, a o szczegółach opowiada podczas swojego wystąpienia realizowanego w ramach konferencji naukowej TED. Wtedy to również pokazał przygotowany przez nich prototyp biodrukowanej 3D nerki, która rozpaliła wyobraźnię opinii publicznej.

Lata 00. XXI wieku

Trzy lata później, w 2003 roku, Thomas Boland, naukowiec z Uniwersytetu w El Paso, przedstawił urządzenie własnego projektu, które można nazwać pierwszym protoplastą obecnie wykorzystywanych biodrukarek 3D. Zmodyfikowana przez niego biurowa drukarka inkjetowa pozwoliła mu na prowadzenie dalszych badań w dziedzinie biodruku 3D z materiałów biologicznych.

Zaledwie rok później dr. Forgacs zadebiutował z własną biodrukarką 3D, która w okresie swojego powstania wzbudziła ogromne poruszenie w środowisku naukowym. Było to bowiem pierwsze urządzenie, które pozwalało na biodruk 3D bezpośredni czyli z wykorzystaniem żywych komórek, bez konieczności budowania rusztowania. Technologia okazała się na tyle interesująca, że w 2009 roku powstała jedna z pierwszych komercyjnych biodrukarek 3D firmy Organovo – NovoGen MMX. Kilka miesięcy później urządzenie posłużyło bioinżynierom do stworzenia pierwszego, biodrukowanego naczynia krwionośnego, bez konieczności korzystania z rusztowań komórkowych.

Lata 10. XXI wieku

Kolejne lata były czasem intensywnego rozwoju i prowadzenia kolejnych projektów o charakterze naukowo-badawczym, w których udało starano się stworzyć takie struktury jak tkanka chrzestna (2012), komóki wątroby (2012), tkanki z siecią krwionośną (2014) czy zastawkę serca (2016).

W tym czasie Organovo skutecznie umacniało swoją pozycję lidera technologii biodruku 3D – 2013 roku stworzona została platforma do prac nad rozwojem i badaniem nowych leków, poprzez wykorzystanie biodrukowanych 3D modeli tkanek (m.in. nowotworów). Od wielu lat firma współpracuje m.in. z L’Oreal w celu stworzenia sztucznej skóry, która pozwoli wyeliminować proces badania kosmetyków na zwierzętach.

Kolejna ważna data to 2015 rok, kiedy to szwedzka firma CELLINK przedstawił własną biodrukarkę 3D – INKREDIBLE. Urządzenie był istną rewolucją – kosztowało jedyne $5000, co jak na ówczesne standardy było zwrotnie niską ceną. Tym co wyróżniało INKREDIBLE na tle innych urządzeń do biodruku 3D to również estetyczny design, który prędzej przywodził na myśl desktopowe drukarki 3D niż dostępne dotychczas biodrukarki 3D i bioplotery o otwartej budowie.

Jak się okazało, koncepcja zaprezentowana przez CELLINK była strzałem w dziesiątkę – obecnie specjaliści z firmy pracują nad kolejnymi wersjami biodrukarek 3D, wykorzystując również inne technologie niż pneumatyczną ekstruzję materiałów żelowych. To właśnie CELLINK rozwiązał worek z nowymi biodrukarkami 3D – od czasu ich premierowego urządzenia na rynku pojawiło się kilkadziesiąt biodrukarek 3D producentów z całego świata.

Obecnie

Ostanie kilka lat było przełomowe dla biodruku 3D – na łamach Centrum Druku 3D opisujemy najważniejsze osiągnięcia poczynione w zakresie tej technologii. W kategorii „Druk 3D w medycynie” znajdziecie szeroki wachlarz artykułów zawierających zarówno informacje o projektach jak i subiektywne opinie na temat technologii.

Na szczególną uwagę zasługuje jednak jeden z ostatnich opublikowanych artykułów na temat nowych osiągnięć w dziedzinie biodruku 3D. Odnosi się do osiągnięcia zespołu naukowców z Izraela, za sprawą któego  kolejna bariera została pokonana. Udało im się bowiem wydrukować 3D serce z siecią naczyń krwionośnych, zdolne do skurczu – wydruk ma rozmiar serca królika) jednak jego budowa anatomiczna jak i funkcje biochemiczne zostały zachowane. Była to o tyle przełomowa wiadomość, że do tej pory biodruk 3D funkcjonalnego organu był dla wielu pieśnią przyszłości. Stworzony przez naukowców wydruk 3D jest dowodem, że jest to jak najbardziej możliwe, chociaż wymaga jeszcze dużych nakładów pracy i badań.

Co warte podkreślenia, również w Polsce realizowane są projekty wykorzystujące opisywaną technologię. Jednym z najbardziej medialnych jest projekt realizowany przez specjalistów z Warszawskiej Fundacji Badań i Rozwoju Nauki, który zakłada stworzenie bionicznej trzustki z wykorzystaniem metody biodruku 3D. Jak dotąd, prace przebiegają pomyślnie, a naukowcom udało stworzyć się pierwszy funkcjonalny prototyp!

Od marca bieżącego roku w Łódzkiego Bionanoparku funkcjonuje Pierwszy w Polsce otwarty Klaster Biodruku 3D. Klaster został powołany do życia, aby realizować kompleksowe badania naukowe w oparciu o biowydruki 3D powstałe na biodrukarkach. Z jego oferty mogą korzystać m.in. instytuty naukowo-badawcze, uczelnie, firmy biotechnologiczne i farmaceutyczne czy szpitale.

Przyszłość bliższa i dalsza

Opisane powyżej aplikacje technologii biodruku 3D nie pozostawiają złudzeń – wytwarzanie organów metodą biofabrykacji jest kwestią czasu. Według naukowców, cieszących się ogromnym autorytetem w tej dziedzinie w przeciągu dwóch dekad biodrukarki 3D mają ogromną szansę stać się standardowym wyposażeniem szpitalnych laboratoriów. Jednak przy tak szybkim rozwoju technologii trudno przewidzieć co wydarzy się w ciągu kilku najbliższych lat, a nawet miesięcy.

<<< Biodruk 3D w pigułce – wprowadzenie 

Biodruk 3D w pigułce – technologia inkjetowa>>>

Źródła: [1] [2] [3] [4] [5]
Photo by Jacobs School of Engineering on Foter.com / CC BY