52 Hafta Bilim / 12. Hafta — 3D Bioprinter Nedir?
Merhaba, ‘52 Hafta Bilim’ yazi dizisinin 12. haftasini okuyorsunuz. Bir onceki bolumde doku ve organ uretmek icin yapilmasi gerekenleri basamaklar halinde incelemistik. Bu yaziya linkten ulasabilirsiniz.
Bu hafta yeni bir seriye basliyoruz; Doku ve organ muhendisliginde kullanilan cesitli cihaz ve tekniklerin uzerinde duracagimiz bu serinin ilk yazisinda 3D bioprinter uzerinde duracagiz. Daha once 3. hafta yazisinda bioprinting isleminin kisaca ne oldugundan bahsetmistik; bu hafta da bioprinting islemi icin uretilen en sofistike cihazlardan birisini inceleyecegiz.
Takvimler 1980'li yillari gosteriyorken stereolitografinin gelistirilmesiyle birlikte tarihte yeni bir sayfa acildi. Stereolitografinin temeli fotopolimer adi verilen ve ultraviyole isik altinda ‘katilasmaya baslayan’ akrilik bazli malzemelerin kullanilmasinda yatiyordu. Bu sayede akrilik bazli malzemeyi istenilen sekle sahip bir kalip icerisinde UV isik (veya isigin yalnizca istenen sekle uygun yerlere uygulanmasi ile) ile ‘katilastirarak’ modeller uretilebiliyordu. Fakat surecin ucuz olmamasi, katilasan malzemenin modele gore az da olsa daha iri olmasi ve yontemin ev kullanimi icin yeteri kadar pratik olmamasi gibi sebeplerden oturu bu teknolojinin gelistirilmesi artik olmazsa olmaz bir noktaya gelmisti. Gunumuzde stereolitografi hala kullanilan bir teknik fakat 1990'li yillarin sonlarinda, daha onceki yazilarda da bahsettigimiz, Dr Atala ve ekibinin ‘laboratuvarda uretilmis organin’ bir hastaya naklettigi haberi, gozleri stereolitografik tekniklerden cekerek 3D yazicilarin uzerine dondurdu.
3D yazicilarin calisma mantigi cok basit; polimerik bir malzemeyi bir ignenin ucundan gecirerek katman katman ust uste yerlestirme uzerine isliyor sistem. Bu sekilde ust uste yerlestirilen onlarca/yuzlerce/binlerce katman en sonunda istedigimiz sekli olusturuyor.
3D biyoyazici ise (bu noktadan sonra bioprinter diye gececek) bu mantikla calisan fakat 3D printerdan farkli olarak, kullanilan malzemelerin ve printing islemindeki parametrelerin biyouyumlu olmak zorunda oldugu cihazlardir.
3D printer ile calisirken genellikle sentetik polimerlerden olusan bir malzeme profili varken 3D bioprinterlarda hidrojel kullanimi daha yaygin. Bunun cesitli sebepleri var fakat bu sebepleri bioink ile ilgili olacak yazida daha sonra detaylandiracagiz.
3D bioprinter ile urettigimiz objeler genellikle scaffold adi verilen orgu yapisinda oluyor. Scaffold yapisinin ne oldugundan daha onceki yazilarda bahsetmistik fakat kisaca “ust uste gecmis katmanlar ile olusturulmus orgu yapi” seklinde tanimlayabiliriz. Bu yapinin muntazam olmasi hucre yasayabilirligi, dolayisiyla doku olusumu icin oldukca kritik.
Netice itibariyle bir 3D bioprinter, biyouyumlu malzemelerin (hucre icersin veya icermesin) katman katman uygulanarak hedeflenen objenin elde edilmesini saglayan cihazdir.
3D bioprinterlari calisma mekanizmalarina gore 3 ana sinif altinda toplayabiliriz.
Damlacik Temelli 3D Bioprinter
Damlacik temelli bioprinting uygulamalari termal, akustik veya elektrik enerjisinin kullanilarak hucrelerin damlacik halindeki bioink icine enkapsule edilmis halde, katman katman basilmasi temeline dayanir. Sistemin ucuz ve hizli olmasi en buyuk avantajidir.
Lazer Temelli 3D Bioprinter
Lazer temelli bioprinting uygulamalari 3D printing islemi için lazer enerjisini kullanir. Bu yontemde ıisik ile etkilesime giren (photocurable) biyomalzeme uzerine z ekseni boyunca lazer isini gonderilir. Katman katman ayni işlem uygulanarak nihai yapi elde edilir. Yontemde bir igne ucu kullanimina ihtiyac duyulmadigi icin hucreler bioprinting islemi esnasinda stres altinda kalmaz. Bu sebeple lazer-temelli bioprinting sistemlerinde ilk anda elde edilen canlilik orani igne ucu kullanilan bioprinting tekniklerine gore daha yuksek olmaktadir. (Not: Temel mantigin stereolitografi ile benzerligine dikkat)
Sikma Temelli 3D Bioprinter
Sikma temelli bioprinterlar ise bir siringa icerisinde yer alan bioinkin pnomatik veya mekanik kuvvet ile bir igne ucundan akitilması prensibiyle calisir. Mekanik kuvvet kullanilan bioprinterlarda siringa icerisindeki piston veya vida yardimiyla akitilan bioink, pnomatik kuvvet kullanilan bioprinterlarda siringa icerisine uygulanan basinc ile igne ucundan akar. Sikma temelli bioprinterlar en yaygin kullanılan cesittir. Printing islemi esnasinda hucrelerin stres altinda kalma ihtimali yontemin en onemli dezavantajlarindandir [3–5].
Bu yazida 3D bioprinterlar ile anlatacaklarim bu kadar. Ileri okuma metinleri kaynakcada kullandigim metinler ile ayni olacagi icin ayrica paylasmiyorum. Cok guzel derlemeler var kaynakcada, ilginizi cekiyorsa okumanizi tavsiye ederim.
Buna ilave olarak oldukca guncel ve beni cok heyecanlandiran bir calismayi paylasmak istiyorum;
Bu iki tweet ayni calismaya ait. Gordugunuz uzere bir akciger modeli uretilmis ve alveollerin gelen kani oksijenlendirmesi ornegini goruyorsunuz. Bu model bir 3D bioprinting stratejisi ile uretilmis. Tweetteki linkten calismanin tamamina ulasabilirsiniz.
Gorusmek uzere!
Kaynakca
[1] http://www.3dbenchy.com/thick-layered-3dbenchy-experiment-by-jan-erik-halvorsen/
[2] https://cellink.com/heres-3d-printers-making-human-body-parts/
[3] Ozbolat, I. T. (2017a). Introduction. In 3D Bioprinting (pp. 1–12). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803010-3.00001-9
[4] Skardal, A. (2015). Bioprinting essentials of cell and protein viability. Essentials of 3D Biofabrication and Translation. Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800972-7.00001-3
[5] Zhang, Y. S., Oklu, R., Dokmeci, M. R., & Khademhosseini, A. (2018). Three-dimensional bioprinting strategies for tissue engineering. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, 8(2). https://doi.org/10.1101/cshperspect.a025718
[6] Ju Young Park, Jinah Jang, Hyun-Wook Kang. (2018). 3D Bioprinting and its application to organ-on-a-chip. Microelectronic Engineering, (200)
https://doi.org/10.1016/j.mee.2018.08.004.
