Biodruk 3D w pigułce – technologia inkjetowa

Biodruk 3D, podobnie jak klasyczną metodę druku 3D, można podzielić na kilka technologii. W zależności od aplikacji czy rodzaju wykorzystanego materiału stosowane mogą być różne techniki wytwarzania przyrostowego.

Urządzenia, które najczęściej kojarzone są z biodrukiem 3D, to te pracujące w technologii pneumatycznej ekstruzji materiałów hydrożelowych. Jak mogliście się dowiedzieć z poprzedniego artykułu naszego cyklu, pierwsze biodrukarki 3D miały dużo wspólnego z atramentowymi drukarkami do papieru. 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.

Jeśli mowa o biodruku 3D, to 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.

Na poniższej ilustracji zobrazowane zostały podstawowe zasady działania:

Trzy technologie biodruku 3D, Źródło: „Applications of stem cells and bioprinting for potential treatment of diabetes”, World J Stem Cells. Jan 26, 2019; 11(1): 13-32

W niniejszym artykule skupimy się na pierwszym rodzaju technologii – inkjet. Pozostałe wyżej wymienione technologie będą opisywane w kolejnych częściach naszego cyklu.

W technice inkjetowej materiał nanoszony jest w formie kropel (każda zawiera 10 000–30 000 komórek) przy wykorzystaniu bezstykowej dyszy. Specjaliści jako zalety wykorzystania tej metody biodruku 3D wymieniają wysoki poziom kontroli dozowania materiał oraz duży procent przeżywalności komórek różnego typu.

Metoda inkjetowa dzieli się na dwa typy:

• termiczną, gdzie do generowania kropli tuszu wykorzystywany jest element grzejny. Krótki impuls prądu podwyższa temperaturę elementu i obszaru wokół niego, tworząc pęcherz powietrza, który powoduje uwolnienie się tuszu z głowicy.
• piezoelektryczną, w której wykorzystywany jest kryształ piezoelektryczny, który pod wpływem impulsu elektrycznego wprawiany jest w wibrację, co w efekcie prowadzi do wytłoczenia kropli materiału.

Kwestią sporną jest, czy wykorzystanie wymienionych czynników fizycznych, ze względu na specyficzną częstotliwość drgań, ma wpływ na przeżywalność biodrukowanych 3D komórek. Tutaj warto spojrzeć na wyniki badań – w swojej pracy Barbara Lorber przedstawiła wyniki biodruku 3D metodą inkjetu komórek glejowych z wysoką przeżywalnością, co zaprzecza twierdzeniu, że technika ta nie uszkadza błon komórkowych.

ZOBACZ: pierwszy na świecie Otwarty Klaster Biodruku 3D

Usługa biodruku 3D

Projekty naukowo-badawcze

Modele anatomiczne

.

Co więcej, proces biodruku 3D metodą inkjetową jest stosunkowo tani i mało skomplikowany, co daje naukowcom duże pole do optymalizacji i dostosowywania sprzętu do swoich potrzeb. Wśród wad można precyzję, która jest najniższa w stosunku do innych metod biodruku 3D czy możliwość wykorzystywania bioinków o niskiej lepkości.

Niemniej jednak, to właśnie technologia inkjetowa biodruku 3D dała początek wielu fascynującym badaniom z tej dziedziny, dając szansę na dalszy rozwój całej branży biodruku 3D. W kolejnych częściach naszego

<<< Biodruk 3D w pigułce – historia

Biodruk 3D – materiały do biodruku, cz. 1 >>>

Źródło: [1], [2], [3], [4], [5], [6] Grafika przewodnia: Photo by Jacobs School of Engineering on Foter.com / CC BY