W technologii biodruku 3D, zupełnie jak w przypadku klasycznych technologii przyrostowych, oprócz wirtualnego modelu i urządzenia równie ważne są materiały, które często determinują późniejsze zastosowania i aplikacje elementu.
W przypadku tak nowej i ciągle rozwijającej się technologii jak biodruk 3D baza dostępnych materiałów powiększa się niemal z dnia na dzień. Nic więc dziwnego, że niełatwo jest sklasyfikować wszystkie dostępne tworzywa do biodruku 3D – poniżej przestawiamy zestawienie najpopularniejszych typów tworzyw które wykorzystuje się w procesach biofabrykacji.
Podział oraz wyróżnienia opracowane został na podstawie artykułu naukowego „The bioink: A comprehensive review on bioprintable materials”. Biotusze dzielimy na:
- biotusze scaffold-based – wykorzystuje się do tworzenia przestrzennej struktury, na której następnie wysiewane są komórki. Właściwie zaprojektowany i stworzony skaffold umożliwia proliferację komórek, która w późniejszym etapie skutkuje powstawaniem tkanki. (ZOBACZ: biodruk pośredni)
- biotusze scaffold-free – materiały te umożliwiają tworzenie biowydruków bez konieczności tworzenia skaffoldu, dlatego w tym typie tuszy komórki są umieszczane w hydrożelu przed rozpoczęciem procesu biodruku 3D. (ZOBACZ: biodruk bezpośredni)
W dzisiejszym artykule skupimy się na pierwszym rodzaju biotuszy, które służą do tworzenia skaffoldów.
Biotusze scaffold-based
Hydrożele, czyli tworzywa zdolne do wiązania dużych ilości wody, w inżynierii tkankowej, wykorzystywane do biodruku 3D są podzielone na dwie grupy: hydrożele pochodzenia naturalnego, takie jak żelatyna, fibryna, kolagen, chitozan i alginian oraz hydrożele pochodzące syntetycznie, takie jak Pluronic lub glikol polietylenowy (PEG). W metodzie biodruku 3D hydrożele wykorzystywane są do tworzenia opatrunków czy w alternatywnych sposobach dostarczania leków.
Hydrożele, ze względu na wysoką przepuszczalność tlenu, składników odżywczych czy innych rozpuszczalnych w wodzie związków, stanowią one dobry materiał do biodruku 3D skaffoldów. W przeciwieństwie do rusztowań polimerowych, hydrożelowe struktury umożliwiają komórkom swobodną migrację w dowolnym kierunku. Znakomita większość naturalnych jak i syntetycznych hydrożeli jest przyjazna dla komórek żywych.
Do biodruku 3D skaffoldów hydrożelowych można wykorzystać jedną z trzech głównych metod wytwarzania: biodruk inkjetowy, metoda ekstruzji lub laserową. Metody biofabrykacji opisane zostały w poprzednich artykułach z serii.
Dodatkowo, w przypadku hydrożeli ważnym aspektem jest sieciowanie, umożliwiający prawidłowe żelowanie materiału. Może one zachodzić pod wpływem czynników chemicznych, fizycznych lub enzymatycznych, w zależności od materiału. Sam proces sieciowania jest o tyle ciekawy i rozbudowany, ze zostanie mu poświęcony oddzielny artykuł w naszej serii.
Do najpopularniejszych hydrożeli pochodzenia naturalnego można zaliczyć:
Hydrożele oparte o agarozę – jedne z najpopularniejszych i najłatwiejszych materiałów do biodruku 3D. Ulegają żelowaniu już w niskich temperaturach (20 do 70 °C). mimo, że hydrożele agarozowe są kompatybilne z komórkami, to niska przyczepność komórek sprawia, spowodowana jego hydrofilowym charakterem, że czysty materiał nie jest najlepszym wyborem jeśli chodzi o tworzenie hodowli komórkowych. Aby alginian stanowił właściwe podłoże do hodowli powinien zostać poddany modyfikacjom.
Materiał właściwy do wytwarzania metodą ekstruzji ze względu na dobrą stabilność – testowany również w laserowych metodach biodruku 3D. Jednocześnie, nie jest polecany do metody inkjetowej ze względu na zbyt wysoki współczynnik lepkości.
Hydrożele oparte o alginian – popularne ze względu na niską cenę i właściwości fizyczne odpowiednie dla procesów biodruku 3D. Materiał pozyskiwany z alg morskich – naturalne pochodzenie sprawia, że jest on całkowicie biokompatybilny i przyjazny komórkom. Materiał wykorzystywany jest m.in do kapsułkowania leków czy hodowli komórkowych in vitro
Właściwości mechaniczne alginianu czynią go właściwym materiałem do procesu EBB (extrusion based bioprinting) – można go również wzbogacać domieszkami innych materiałów, aby podwyższyć przyczepność komórek do alginianowych skaffoldów. Materiał sieciowany chemicznie jonami wapnia, roztworami CaCl2 lub CaSO₄.
Hydrożele oparte o chitozan – hyrdożel pochodzący z deacetylacja chityny ma szeroki zakres zastosowań w inżynierii tkankowe. Można stosować go aplikacji regeneracyjnych (m.in. tkanki chrzęstnej), opatrunków czy rusztowań o niewielkich rozmiarach, ze względu na niestabilne właściwości mechaniczne. Sieciowany poprzez roztwór wodorotlenku sodu (NaOH).
Hydrożele oparte o kolagen – materiał bazujący na głównym białku tkanki łącznej. Macierz kolagenowa ułatwia nie tylko adhezję komórek, ale wpływa jednocześnie na wzrost komórek. W kontekście technologii biodruku 3D wadą jest fakt, że tego typu hydrożele pozostają w stanie płynnym w niższych temperaturach, a żelowanie zajmuje ponad godzinę. Wpływa to na trudność z osadzaniem materiału w technice EBB oraz na nierównomierne rozłożenie komórek w matrycy, opadających pod wpływem siły grawitacji.
Materiał do tej pory wykorzystywany był w wszystkich trzech podstawowych technikach biodruku 3D i choć materiał jest problematyczny w w wytwarzaniu, to pozwala na osiąganie dobrych wyników dalszych badań.
Poza najpopularniejszymi rodzajami hydrożeli występują również hydrożele naturalne oparte o fibrynę, żelatynę czy kwas hialuronowy. Pełną listę materiałów wraz z ich charakterystyką, zestawioną w tabeli znajdziecie w wspomnianym wcześniej artykule naukowym.
Natomiast, do najpopularniejszych hydrożeli syntetycznych należą:
Pluronic – hydrożel oparty na syntetycznym polimerze. Struktura kopolimeru Pluronic szybko degraduje, a struktura utrzymuje swój kształt nie dłużej niż kilka godzin, dlatego hydrożel łączy się z PEG – wtedy materiał wydłuża swoją żywotność, stajać się przydatny do podawania leków (m.in. kontrolowanego ich uwalniania). Wpływa to również na zwiększenie przeżywalności komórek.
Pluronic sieciowany jest światłem UV, jednak zbyt długa i intensywna ekspozycja na światło ultrafioletowe może wpływać negatywnie na żywotność i aktywność metaboliczną komórek. Materiał stosowany do biodruku 3D w technologii EBB – ze względu na lepkość materiał nie był wykorzystywany w innych technologiach biofabrykacji. Sieciowany termicznie.
PEG – poli(glikol etylenowy) jest materiałem szeroko stosowanym w produktach medycznych – m.in. w produktach dedykowanych regeneracji tkankowej. Najnowsze badania wskazują, ze PEG może stanowić skaffold, do którego absorbowane będą komórki. Stosowany jako dodatek do innych materiałów hydrożelowych, w celu osiągnięcia pożądanych właściwości mechanicznych. Wykorzystywany w technologiach EBB i DBB, materiał sieciowany przez fotopolimeryzację.
Oprócz różnego rodzaju hydrożeli wyróżnia się m.in. materiał jak macierz zewnątrzkomórkowa (ECM), gdzie materiał komórkowy jest usuwany bez uszkodzenia macierzy przy użyciu czynników fizycznych lub chemicznych.
W kolejnej części rozwinięte zostaną materiały do biodruku 3D bezpośredniego, nie wymagającego tworzenia skaffoldów.
Grafika przewodnia: Photo by BWJones on Foter.com / CC BY-NC-ND
