Małże - a właściwie wytwarzana przez nie substancja, dzięki której przyczepiają się do skał - zainspirowała naukowców. Pracują nad hydrożelem, który naśladuje jej właściwości. W przyszłości pomoże on w drukowaniu tkanek w technologii 3D lub sklejaniu tkanek.
Biodruk, czyli druk tkanek w technologii trójwymiarowej, to stosunkowo nowa, ale bardzo prężnie rozwijająca się dziedzina. Od zwykłego druku 3D różni się m.in. tym, że do drukowania kolejnych warstw służy - zawierający komórki odpowiednich tkanek - biomateriał.
"Przyszłość to oczywiście drukowanie funkcjonalnych tkanek i narządów, ale obecnie dzieli nas od tego pewien dystans" - wyjaśnia w rozmowie z PAP dr Małgorzata Włodarczyk-Biegun z niemieckiego INM Leibniz Institute for New Materials.
Jak zaznacza, wymagania wobec biodruku są dużo większe, niż wobec zwykłego druku w technologii 3D. "Cały proces drukowania musi być kompatybilny z komórkami, aby mogły one przetrwać proces zastygania materiału; z drugiej strony musi on zapewnić, aby kształt tkanki, którą drukujemy, był utrzymany" - mówi.
Jednym z najważniejszych wyzwań stojących przed zespołami zajmującymi się biodrukiem jest właśnie kontrola pozycji komórek i utrzymanie kształtu drukowanej tkanki. Pomimo tych trudności w styczniu br. grupa hiszpańskich naukowców zaprezentowała prototyp biodrukarki 3D, która może drukować ludzką skórę. Jak zapewniali autorzy metody, taka skóra może być wykorzystana m.in. do transplantacji czy w testach kosmetyków lub środków chemicznych.
Z kolei w sierpniu zespół z University of Oxford zaprezentował nową metodę drukowania trójwymiarowego, która pozwala na układanie różnego rodzaju komórek w stabilne kształty. Naukowcy umieścili komórki w mikroskopijnych kropelkach otoczonych błoną tłuszczową. Takie struktury - jak przekonywali - można układać w pożądane, stabilne kształty warstwami - jedna nad drugą.
"Wiele grup zajmuje się obecnie opracowywaniem tuszy biologicznych, które będą kompatybilne z komórkami. Zwykle tymi tuszami są hydrożele, substancje żelujące złożone z wody i różnego rodzaju polimerów" - tłumaczy rozmówczyni PAP.
Dr Małgorzata Włodarczyk-Biegun wraz z grupą badaczy INM Leibniz Institute for New Materials pracuje nad hydrożelem inspirowanym materiałami naturalnymi, a konkretnie małżami.
"Rozwijamy polimery, które imitują naturalne białka produkowane przez małże. Dzięki tym białkom małże mogą przylegać bardzo mocno do skał. Wypuszczają wypustkę, z której uwalniana jest proteina. Ta pod wpływem zmiany pH lub obecności tlenu bardzo szybko zastyga" - opisuje badaczka.
My pracujemy nad materiałem, który zastyga i gęstnieje właśnie pod wpływem zmiany pH lub obecności tlenu. "Nasz materiał powinien mieć postać wodną, aby stanowił bardzo dobre środowisko dla komórek. Problem w tym, co zrobić, aby z tej wodnej konsystencji materiał zżelował jak najszybciej, nie wpływając negatywnie na komórki, a jednocześnie można było utrzymać strukturę drukowanego obiektu" - opowiada badaczka. Substancja, która ma umożliwić szybkie zżelowanie materiału bez szkody dla samych komórek, wzorowana jest właśnie na proteinach małż.
"Używając naszego materiału, możemy otrzymać warstwy zawierające różne typy komórek. W ten sposób można budować różnego rodzaju tkanki" - mówi Włodarczyk-Biegun.
Oprócz zastosowań w biodruku substancję można wykorzystać jako klej medyczny, który łączy tkanki zamiast tradycyjnych szwów. Substancja działa bardzo efektywnie w środowisku wodnym i w obecności krwi, więc można byłoby ją stosować podczas operacji wewnętrznych i zabiegów mikrochirurgicznych, wymagających małych i precyzyjnych zszyć.
Na razie to wstępny etap badań zespołu prof. Aránzazu del Campo, w którym pracuje dr Włodarczyk-Biegun, podczas którego materiał jest testowany. "Wiemy już, że pozwala budować stabilne struktury i że jest biozgodny z komórkami, a więc gdy wprowadzimy do niego komórki, to będą w stanie funkcjonować. Jednakże przy drukowaniu komórki są poddane działaniu dużej siły, musimy więc teraz sprawdzić czy przetrwają cały proces" - opisuje badaczka.
Dr Małgorzata Włodarczyk-Biegun wyniki swoich badań zaprezentowała podczas niemieckiej edycji konferencji "Science. Polish Perspectives - Meetup", która w październiku odbyła się w Berlinie. Jednym z patronów medialnych wydarzenia był serwis Nauka w Polsce.
Komentarze
[ z 3]
Wytwarzanie tkanek za pomocą druku trójwymiarowego to ogromne wyzwanie, ale gdy się powiedzie korzyści są nieograniczone. Dzięki odpowiednio skonstruowanym urządzeniom i biomateriałom medycyna może wejść w nową erę. Na całym świecie trwają prace mające na celu otrzymanie materiałów mających różne zastosowanie w lecznictwie. Miejmy nadzieję na szybkie sukcesy i stosowanie nowych wynalazków w praktyce.
Czerpanie inspiracji z natury nie raz przyczyniło się do powstania różnych ciekawych wynalazków, lub do doskonalenia tych obecnych. Wiemy już, że od jakiegoś czasu druk trójwymiarowy ma coraz szersze zastosowanie w medycynie. Pomimo tego, że udało się już stworzyć naprawde bardzo zaawansowane struktury z biegiem czasu słyszymy o coraz to nowszych doniesieniach. Polscy naukowcy również bardzo przyczynili się do tego aby wprowadzać nowości na rynek medyczny pozyskane przy pomocy druku 3D. Jest więc to kolejna dziedzina, w której nasi naukowcy są w ścisłej czołówce na świecie. Powinniśmy się cieszyć z licznych osiągnięć które u nas powstają ponieważ prawdopodobnie dostęp do tych osiągnięć będzie dużo łatwiejszy oraz tańszy, co jest oczywiście bardzo istotne. Jakiś czas temu na na Uniwersytecie w Tel Awiwie doszło do przełomowego w skali światowej wydarzenia ponieważ udało się stworzyć przy pomocy drukarki 3D pierwsze na świecie sztuczne serce. O takich informacjach mówi się stanowczo za mało. Co prawda wytworzone serce jest wielkości królika, jednak naukowcy są pomyślni co do tego, że w przyszłości uda im się stworzyć je o wielkości odpowiadającej sercu człowieka. Właśnie ze względu na to, że projekt nie jest jeszcze w pełni ukończony ponieważ napotkał pewne bariery powinno mówić się o tym szerzej gdyż być może w innym ośrodku badawczym na świecie naukowcy wiedzą jak rozwiązać taki problem i współpraca pomiędzy naukowcami okazałaby się barszo owocna. Warto zaznaczyć, że do jego wytworzenia zostały użyte komórki pacjenta, co z pewnością zmniejsza ryzyko odrzutu przez gospodarza oraz sprawi, że leczenie immunosupresyjne z dużym prawdopodobieństwem nie będzie konieczne, a jak wiemy jest ono bardzo problematyczne z punktu widzenia pacjenta. Przeszczepy tego narządu są póki co jedyną formą leczenia schyłkowej niewydolności serca. Doskonale wiadomo, że ilość serc do przeszczepu w naszym kraju to problem, który rozwiązać jest bardzo ciężko. Możliwość stworzenia serca w technologii druku trójwymiarowego rozwiązałoby ten problem, co z pewnością przyczyni się do uratowania ogromnej ilości pacjentów. W naszym kraju są przecież specjaliści, którzy są w stanie przeprowadzać tak skomplikowane operacje. Świetnie by było, jeśli udałoby się wykorzystać te niesamowite zdolności przeszczepiając chorym pacjentom, serca wydrukowane w technologii 3D. W ostatnim czasie bioinżynierom udało się wydrukować skomplikowane sieci naczyń, przez które może przepływać krew oraz chłonka. Może to być przełom jeżeli chodzi o drukowanie organów ponieważ obecnie sporym ograniczeniem było to, że nie dało się stworzyć struktur, które doprowadzałyby do nich składniki odżywcze, a usuwały z nich zbędne produkty. W wielu ośrodkach na całym świecie powstają przeróżne projekty, które wzajemnie się uzupełniają. Wydaje mi się bardzo ważne aby naukowcy z tych ośrodków mogli tak jak wspominałam połączyć siły. Z pewnością uzyskany wspólnie efekt byłby niezwykły. Stworzono również prototyp tkanki, który przypomina płuca. Jest on na tyle elastyczny oraz wytrzymały, że nie ulegnie uszkodzeniu podczas ruchów klatki piersiowej. Zauważając to jak szybko rozwija się technologia druku 3D w naszym kraju wprowadza się istotne zmiany. Na Wydziale Inżynierii Biomedycznej Politechniki Śląskiej w Gliwicach studenci uczą się tego w jaki sposób tworzyć możliwie najbardziej spersonalizowane wyroby medyczne. Dzięki temu są one bardziej dokładne co znacznie skraca czas rekonwalescencji. Z pewnością zapotrzebowanie na specjalistów, którzy będa zajmować się drukiem 3D będzie systematycznie wzrastać. Konieczne więc wydaje się być edukowanie kolejnych osób, które będą w stanie projektować i wykonywać wspomniane wyroby medyczne. Połączenie umiejętności tych specjalistów z ogromną wiedzą naszych lekarzy z pewnością zaowocuje w przyszłości licznymi dokonaniami, o których będzie głośno na całym świecie. Potwierdzeniem tego, że w naszym kraju cały czas stawia się na innowacyjne rozwiązania jest to, że w olsztyńskim szpitalu możliwe jest projektowanie i tworzenie przez specjalistów implantów przy pomocy technologii trójwymiarowej, dzięki którym można odbudować fragmenty oczodołu, a także zęby. Stworzone wszczepy są w lepszym stopniu dostosowane do struktur organizmu, a wszczepienie jest w mniejszym stopniu skomplikowane, co sprawia, że operacja trwa krócej, co jest korzystne zarówno dla lekarzy oraz całego personelu medycznego, ale także i pacjenta. Uprzednio stosowane w tym celu tytanowe siatki były dostosowywane w trakcie trwania operacji. Obecnie jest to możliwe przed rozpoczęciem zabiegu. Dzięki temu powikłania pooperacyjne chociażby w postaci podwójnego widzenia, występują rzadziej. Pacjenci z uwagi na to, że zabieg trwa krócej przyjmują mniejszą ilość środków przeciwbólowych oraz przeciwzapalnych co nie stanowi tak dużego obciążenia dla ich zdrowia. Wydaje mi się to mieć kluczowe znaczenie chociażby w przypadku starszych osób, które są poddawane terapii onkologicznej,a ich wątroby czy nerki oraz przewód pokarmowy mogą być w pewnym stopniu uszkodzone. Otrzymany model może posłużyć również młodym lekarzom do edukacji oraz do objaśnienia pacjentowi w jaki sposób będzie przebiegała operacja. Bardzo często takie wyjaśnienie potrafi zredukować stres u pacjenta, który w znacznie mniejszym stopniu denerwuje się przed zabiegiem. Z kolei naukowcy z Politechniki Łódzkiej koncentrują się na stworzeniu cewki moczowej w technologii druku 3D, która znajdzie swoje zastosowanie w urologii, z naciskiem na urologię dziecięcą. Pozostając jeszcze temacie cewek to naukowcom ze Szwajcarii udało się wydrukować mikrostruktury o odpowiedniej plastyce, które są nawet do 40 razy mniejsze od tych, które są obecnie dostępne. Dzięki nim możliwe stanie się stworzenie bardzo małych stentów, które będa mogły posłużyć chociażby do rozszerzania cewek u dzieci, nawet w trakcie trwania ciąży. Takie przypadki zdarzają się około 1 na 1000 więc mogą okazać się bardzo przydatne. Stenty te mogłyby dodatkowo znaleźć zastosowanie w przypadku choroby niedokrwiennej serca. Ta jest stosunkowo częstym schorzeniem, dlatego wielu pacjentów mogłoby na tym wiele skorzystać. Wydaje mi się, że w takim wypadku dobrze aby stenty były wytwarzane z antybakteryjnych materiałów, na których nie mogłyby się rozmnażać bakterie, które stanowią zagrożenie dla zdrowia, a nawet życia. Na razie wykorzystanie stentów jest w fazie badań na zwierzętach jednak jak podkreślają naukowcy wyniki są obiecujące, co być może przyczyni się do tego, że znajdą również zastosowanie w przypadku ludzi. Biodrukarki jako “tusz” będa wykorzystywać biomateriał. Bardzo duże zastosowanie druk trójwymiarowy znajduje również w tworzeniu protez, np kończyn. Wyprodukowanie ich w pewnej technologii pozwala na oszczędności rzędu 40 procent ceny standardowej protezy. Co więcej, dzięki temu, że nowoczesna proteza będzie mogła być w pełni dopasowana nie będą konieczne amputacje, których celem jest stworzenie takich warunków, które odpowiadają standardowej protezie, co z pewnością jest bardzo dobrą informacją dla wielu pacjentów. Coraz częściej również wydrukowane przedmioty służą do celów edukacyjnych. Przykładowo w Australii na jednej z uczelni drukuje się kości, które następnie są wykorzystywane do tego aby studenci mogli jak najlepiej zapoznać się z ich budową. Raz stworzony przedmiot może być przecież wydrukowany ponownie, najlepiej z mniej wartościowych materiałów i może z pewnością znaleźć zastosowanie jako forma edukacji dla studentów czy młodych lekarzy.
Bioinżynierom z Teksasu za pomocą druku 3D udało się opracować urządzenie imitujące działanie naturalnej trzustki, a także specjalny materiał hydrożelowy stanowiący osłonę dla sprzętu. Dzięki temu praca sprzętu nie zostaje zakłócona, a organizm nie odrzuca sztucznego organu. W ramach trzyletniego projektu naukowego badacze z Teksasu skupią się na tym, aby sztuczna trzustka we właściwym momencie reagowała na różny poziom cukru we krwi i w razie potrzeby uwalniała insulinę w idealnym momencie, w taki sposób, by było to najkorzystniejsze dla pacjenta. Technologia biodruku posłużyła naukowcom do opracowania techniki wytwarzania trójwymiarowych rusztowań wspomagających leczenie złamanych kości u pacjentów z cukrzycą. Rusztowanie to zbudowane jest z komórek macierzystych szpiku kostnego, morfogenicznego białka kości i makrofagów. Cukrzyca może zwiększać ryzyko złamań kości nawet o 300 procent. Wysoki poziom glukozy we krwi utrudnia też proces gojenia. Biodruk trójwymiarowy pozwoli więc usprawnić proces leczenia i ułatwić dostęp do skutecznych terapii. Na początku pandemii wywołanej koronawirusem okazało się, że szpitalom i innym placówkom medycznym nie tylko w naszym kraju brakuje odzieży ochronnej i innego wyposażenia. Prawie połowa lekarzy w Wielkiej Brytanii przyznawała, że jest zmuszona sama zaopatrywać się w odzież ochronną. W tej sytuacji społeczność zajmująca się drukiem trójwymiarowym włączyła się do produkcji takich urządzeń jak : ochronne maski, zawory tlenowe do wentylatorów, rozdzielacze do wentylatorów i respiratorów pozwalające na ich stosowanie dla kilku pacjentów, pałeczki do wymazów testów na koronawirusa, przyłbice, kabiny do kwarantanny, prowizoryczne respiratory utworzone z wyposażenia do nurkowania z akwalungiem, a nawet dźwignie pozwalające otworzyć drzwi łokciem. Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest wytwarzanie w druku 3D łączników, pozwalających na podłączenie nawet czterech pacjentów do jednego respiratora. Ograniczenia dla urządzeń medycznych do walki z pandemią związane są najczęściej, ale nie jedynie, z brakiem możliwości ich dezynfekcji. Przykładowo, amatorskie drukarki 3D korzystające z ekstrudera wytwarzają przedmioty, które są porowate i mają bardziej szorstką powierzchnię. Nie da się ich w odpowiedni sposób zdezynfekować. Po sukcesie przy przygotowaniu specjalnego modelu 3D żyły zaatakowanej nowotworem, naukowcy z Politechniki Opolskiej planują szerszą współpracę z lekarzami. W planach jest stworzenie m.in. fantomów układu kostnego okolic miednicy i modeli tętnic przed zabiegami. Padła propozycja, żeby opracować formy, na których można by planować operacje wprowadzania stent-graftów do naczyń krwionośnych, w których zlokalizowany jest tętniak. Wprowadzenie stent-graftu do tętnicy lub żyły jest sposobem na jego zoperowanie. W tym przypadku, na podstawie przekrojów uzyskanych z rezonansu magnetycznego lub z tomografu komputerowego tworzy się model trójwymiarowy w którym można umieścić stent-graft, który później można wykorzystać w trakcie zabiegu. Kolejnym założeniem jest stworzenie fantomu układu kostnego okolic miednicy. To będzie model, na którym będą prowadzone badania ukierunkowane na zastosowania radioterapii nowotworów ginekologicznych. Fantom umożliwi badanie efektywności naświetlania radioterapeutycznego. Obecnie fantom jest w trakcie drukowania, praca nad nim wygląda inaczej niż praca nad żyłą. W przypadku żyły model, który opracowaliśmy odzwierciedlał tkanki miękkie, tutaj skupiam się na drukowaniu modelu, który odzwierciedla tkanki kostne. Po wydrukowaniu fantom będzie uzupełniony specjalnym żelem, który będzie reprezentował tkanki miękkie. W wielu przypadkach, gdy na skutek np. choroby nowotworowej fragment kości musi zostać usunięty, wykonuje się przeszczep z innej części ciała i uzupełnia brakujący fragment np. żuchwy czy kości czaszki.Technologia druku 3D daje nam możliwość stworzenia różnych kształtów w zależności od konkretnej sytuacji, np. określonej kości. Jeżeli wydrukuje się fragment ubytku kości po resekcji nowotworowej i chcemy wszczepić materiał, który zintegruje się z tkanką kostną, a następnie odbudują się nad nim komórki, musi najpierw zostać wysterylizowany, żeby nie wprowadzać do organizmu niepotrzebnych mikrobów.Wyzwaniem dla medycyny i bioinżynierii jest odbudowa całej krtani, ponieważ przeszczepienie jej od dawcy jest procedurą obarczoną wysokim ryzykiem, biorąc pod uwagę biozgodność i możliwą akceptację narządu. Istnieje wiele możliwości przezwyciężenia tych trudności. Jednym z najnowszych i najskuteczniejszych rozwiązań jest sztuczna krtań. Odpowiedni implant powinien być biokompatybilny i spersonalizowany dla każdego pacjenta. Do wykonania takiego implantu wykorzystuje się sztuczną porowatą krtań rusztowania pokrytą kolagenem i chondrocytami. Porowate rusztowania polimerowe są używane do imitowania struktury narządów i stały się kluczowym elementem trójwymiarowej hodowli komórek. Analiza obrazów pochodzących z nowoczesnych metod tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego o wysokiej rozdzielczości z możliwością rekonstrukcji trójwymiarowej umożliwia bardzo precyzyjne zaplanowanie allogenicznego podłoża rekonstrukcji. Spełnia ona warunek zabiegu ''spersonalizowanego''. Anatomia i fizjologia krtani determinują parametry fizykochemiczne materiałów użytych do allogenicznej budowy tego narządu. Stosowanie metalicznych pierwiastków takich jak tytan nie jest wskazane, ze względu na brak stabilności tak ciężkiej konstrukcji oraz niski stopień adhezji komórek. Wykorzystanie materiałów ceramicznych, np. apatytu, jest ryzykowne ze względu na mikrośrodowisko śluzu, które może powodować ich degradację. Innowacyjna metoda drukowania części ciała może być przełomem w rekonstrukcji twarzy i pourazowej chirurgii plastycznej.Nad drukarką 3D, która byłaby w stanie tworzyć chrząstki uszu czy nosa pracują walijscy naukowcy. Obecnie do pourazowych rekonstrukcji twarzy na przykład po wypadkach, oparzeniach, nowotworach skóry i wadach wrodzonych, wykorzystuje się tkankę chrząstki pacjenta, najczęściej pobieraną z żeber. Niestety, zabieg ten wiąże się z bliznowaceniem w miejscu pobrania i innymi powikłaniami. Zespół z sukcesem wyizolował ludzkie komórki macierzyste pochodzące z chrząstki nosowo-przegrodowej i wykazał, że mogą one wytwarzać macierz chrząstki poza organizmem człowieka. Co ważne, ta metoda nie wymaga przeprowadzania operacji w celu pobierania chrząstek z innych części ciała pacjenta, a zabieg jest niemal nieinwazyjny.Naukowcy z powodzeniem radzą sobie z drukowaniem komórek i biomateriałów, z których są zbudowane ludzkie tkanki, ale wciąż są dalecy od stworzenia całych funkcjonalnych narządów. Druk trójwymiarowy co prawda jest coraz częściej wykorzystywany w medycynie, np. do produkcji implantów stomatologicznych lub modeli wykorzystywanych przez chirurgów do symulowania przeprowadzanych operacji. Ponadto technologia pozwala na wykorzystanie biotuszu do produkcji komórek, które pozwoliłyby opracować w pełni funkcjonujące narządy. Aby go stworzyć, należy w pierwszej kolejności stworzyć przestrzenne rusztowanie, na którym można by osadzić komórki macierzyste różnicujące się i rozrastające w konkretne tkanki. Niestety, w tym momencie nie ma możliwości aby to zrobić metodami laboratoryjnymi, bo dostępne protokoły biologiczne nie pozwalają na organizację różnych gradientów i wzorców strukturalnych w tkankach, które nie są jednorodne. Dzieje się tak ponieważ nie ma kontroli nad tym, w które miejsce tkanki trafiają właściwe komórki. Takie możliwości oferuje natomiast druk w technice trójwymiarowej, który pozwala bioinżynierom na precyzyjne kierowanie komórek. To z kolei przekłada się na lepsze organoidy, a w końcu może i umożliwić tworzenie organów. Naukowcom z Teksasu udało się wydrukować sztuczny organ, który gdy pojawia się taka konieczność uwalnia odpowiednią ilość hormonu regulującego poziom cukru we krwi. Na dodatek nowy wynalazek jest skuteczniejszy niż prototypy podobnych urządzeń, które powstały na świecie do tej pory. Choć postęp badań nad cukrzycą we współczesnej medycynie jest znaczący, a nawet inteligentne plastry dostarczające pacjentom insulinę nie są dużym zaskoczeniem, to sztuczna trzustka zdolna do wytwarzania insuliny stanowi dużo większe wyzwanie. Pionierami w tej dziedzinie są naukowcy z naszego kraju, którym już kilka lat temu jako pierwszym na świecie udało się wydrukować za pomocą technologii trójwymiarowej bioniczny odpowiednik tego organu.