Biodruk 3D w pigułce – technologia ekstruzji

Kontynuujemy nasz cykl artykułów, w którym podejmujemy temat biodruku 3D. W poprzednim artykule na temat metod wytwarzania przyjrzeliśmy się bliżej technologii inkjetowej, będącej swoistym prekursorem technologii biodruku 3D. Dziś przyszedł czas na kolejną, najpopularniejszą technologię biodruku 3D – metodę ekstruzji pneumatycznej i mechanicznej materiałów w formie hydrożelowej i półpłynnej.

Biodrukarki 3D wykorzystujące metodę ekstruzji stanowią najbardziej liczną reprezentację urządzeń z dziedziny biodruku 3D – wielu producentów dostępnych komercyjnie urządzeń stawia właśnie na tę technologię. Technologia daje szerokie możliwości testowania zarówno materiałów jak i parametrów procesu, przy stosunkowo niskich kosztach. Co jeszcze wyróżnia technologię ekstruzji na tle innych dostępnych metod biodruku 3D?

Zanim przejdziemy do opisu samej technologii, przypomnijmy podział metod biodruku 3D.  Według pracy naukowej „Bioprinting Technology: A Current State-of-the-Art Review” możemy wyróżnić trzy podstawowe technologie:

• inkjet, inspirowane technologią atramentowego druku 3D poprzez zastąpienie dotychczas stosowanego atramentu materiałem biologicznym. Technologia ta pozwala na stosunkowo precyzyjne osadzanie kropel materiału, dając możliwość nanoszenia materiału podczas przejazdu głowicy drukującej. Do tworzenia bardziej skomplikowanych struktur przestrzennych wykorzystywane są matryce hydrożelowe.
• ekstruzji, której zasada działania jest nieco podobna do klasycznych, desktopowych drukarek 3D pracujących w technologii FDM. Zamiast filamentu stosuje się jednak materiały w formie półpłynnej i żelowej, eliminując potrzebę podgrzewania do tak wysokich temperatur jak w przypadku druku 3D z materiałów termoplastycznych.
• laserowe, polegającym na precyzyjnym nanoszeniu materiału biologicznego z matrycy na podłoże.

Metoda ekstruzji czyli EBB ( skrót od angielskiego extrusion based bioprinting) w ciągu ostatnich lat zyskała na tyle dużą popularność, że dla wielu odbiorców technologii wydaje być się jedyną metodą biodruku 3D. Niezaprzeczalnymi zaletami tej metody biofabrykacji jest powtarzalność oraz szeroka gama możliwych do zastosowania materiałów. W przypadku omawianej technologii wyróżniamy dwa typy technologii, zależne od sytemu wytłaczania materiału:

• pneumatyczny, gdzie na materiał znajdujący się w strzykawce działa siła wynikająca z nacisku sprężonego powietrza. Jest to jeden z najpopularniejszych rodzai EBB ze względu na kontrolę nad siłą przykładaną do tłoka podczas ekstruzji – zbyt wysokie ciśnienie może znacznie zmniejszyć stopień przeżywalności komórek, co wpływa na powodzenie prowadzonych eksperymentów.
  Wadą takiego systemu jest jednak brak systemu retrakcji, czyli cofania materiału do wnętrza głowicy podczas przejazdu z miejsca na miejsce. Jest to szczególnie kłopotliwe w przypadku jednoczesnego wytwarzania przyrostowego więcej niż jednego modelu.
• mechaniczny, który dzielmy na wytłaczanie tłokowe – ekstruzja poprzez nacisk tłoka na powierzchnie materiału  i śrubowe, z wykorzystaniem śruby wytłaczającej biotusz.

Schematy metod ekstruzji Od lewej: mechaniczna tłokowa, pneumatyczna, mechaniczna śrubowa, źródło: https://www.biogelx.com/extrusion-based-bioprinting-in-practice/

Metoda znajduje zastosowanie w procesie wytłaczania szerokiej gamy rodzaju biotuszy, wyróżniających się różnymi właściwościami – o ile w przypadku inkjetowego biodruku 3D lepkość oraz gęstość materiałów musiała być stosunkowo niska, o tyle w technologii EBB lepkość może osiągać wartości od 30 mPa/s do 6 x 10^7 mPa/s. Praktycznie brak ograniczeń, jeśli chodzi o gęstość wytłaczanego materiału hydrożelowego.

W porównaniu do inkjetowej technologii biodruku 3D, metoda EBB jest wolniejsza, pozwala jednak na wytwarzanie innego rodzaju struktur przestrzennych. W przypadku omawianej technologii wyróżnia się dwa podstawowe sposoby biodruku 3D:

• tworzenie rusztowania (scaffold), które stanowi dla komórek konstrukcje do właściwego wzrostu. Na tego rodzaju strukturę (stworzona np. z hydrożelu) po wydrukowaniu 3D nanosi się komórki – z racji na fakt, że komórki wysiewane są na powierzchni struktury, trudniej jest stworzyć prawidłową tkankę.
• nanoszenie komórek zatopionych w hydrożelu aż do osiągnięcia pożądanego kształtu rozdzielczość tego typu wydruków uwarunkowana jest m.in. przez gęstość i konsystencje biotuszu. Wykorzystanie pneumatycznego systemu ekstrudowania materiału minimalizuje ryzyko uszkadzania wytłaczanych komórek zawieszonych w hydrożelowej matrycy.

Rozdzielczość druku 3D w technologii EBB zależy od średnicy głowicy drukującej oraz właściwości materiału (m.in. od jego temperatury, tego jak zachowuje kształt czy wysokość warstwy po wytłoczeniu). Rozdzielczość biodruku 3D poprawia się wraz z zmniejszeniem średnicy głowicy drukującej – zazwyczaj wpływa to jednak negatywnie na przeżywalność komórek w ekstrudowanym materiale biologicznym.

Wielu producentów urządzeń do biodruku 3D działających w technologii EBB konstruuje swoje urządzenia w taki sposób aby móc wytwarzać jednocześnie z kilku materiałów. System dwóch, trzech a nawet kilkunastu niezależnych głowic jest coraz popularniejszym rozwiązaniem. Może znaleźć zastosowanie podczas wytwarzania struktur biologicznych, do których wykonania wymagany jest więcej niż jeden typ komórek lub stosowania hydrożelowego materiału podporowego.

Do najpopularniejszych producentów urządzeń pracujących w technologii EBB zaliczamy:

• Advanced Solutions (BioAssemblyBot)
• nScrypt
• Cellink
• EnvisionTEC
• Regenovo
• Allevi (BioBot)

O powodzeniu procesu biodruku 3D decyduje szereg czynników – ważnym aspektem są również wykorzystane materiały (w biodruku 3D określane jako biotusze). O rodzajach tworzyw oraz ich właściwościach zajmiemy się w dalszej części naszego cyklu

<<< Biodruk 3D w pigułce – historia

Źródła: [1] [2] [3] [4], [5], [6]