Canlı dokuların yumuşak hidrojel veya "biyo-mürekkep" içine karıştırılmış hücrelerle basıldığı 3 boyutlu biyobaskı, vücudumuzdaki dokuları modellemek veya değiştirmek için biyomühendislik alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, dokuların baskı kalitesi ve tekrarlanabilirliği zorluklarla karşılaşabilir. En önemli zorluklardan biri, basitçe yerçekiminden kaynaklanmaktadır; hücreler, çevrelerindeki hidrojelden daha ağır oldukları için biyo-mürekkep püskürten yazıcı şırıngasının dibine doğal olarak çökerler.
MIT'de Doku Mühendisliği alanında Eugene Bell Kariyer Geliştirme Profesörü ve Makine Mühendisliği Bölümü'nde yardımcı doçent olan Ritu Raman, "Büyük dokuları basmak için gereken uzun baskı seansları sırasında daha da kötüleşen bu hücre çökelmesi, tıkanmış nozullara, düzensiz hücre dağılımına ve basılan dokular arasında tutarsızlıklara yol açar" diye açıklıyor. "Yazıcıya yüklemeden önce biyomürekkepleri elle karıştırmak veya pasif karıştırıcılar kullanmak gibi mevcut çözümler, baskı başladıktan sonra homojenliği koruyamaz."
Raman'ın ekibi, 2 Şubat'ta Device dergisinde yayınlanan bir çalışmada , baskı sırasında biyomürekkep içindeki hücre çökelmesini aktif olarak önleyerek bu temel sınırlamayı çözmeyi amaçlayan yeni bir yaklaşım sunuyor; bu da daha güvenilir ve biyolojik olarak tutarlı 3 boyutlu baskılı dokulara olanak tanıyor.
MIT'de makine mühendisliği alanında doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın baş yazarı olan Ferdows Afghah, "Biyomürekkebin fiziksel ve biyolojik özelliklerinin hassas bir şekilde kontrol edilmesi, doğal dokuların yapısını ve işlevini yeniden oluşturmak için çok önemlidir" diyor.
Raman, "Eğer vücudumuzdaki dokuları daha yakından taklit eden dokular basabilirsek, bunları insan hastalıkları hakkında daha fazla bilgi edinmek veya yeni tedavi edici ilaçların güvenliğini ve etkinliğini test etmek için model olarak kullanabiliriz" diye ekliyor. Bu tür modeller, araştırmacıların hayvan deneyleri gibi tekniklerden uzaklaşmasına yardımcı olabilir; bu da ABD Gıda ve İlaç İdaresi'nin (FDA) yeni tedavi yollarının güvenliğini ve etkinliğini belirlemek için daha hızlı, daha ucuz ve daha bilgilendirici yeni yaklaşımlar geliştirmeye yönelik son dönemdeki ilgisini desteklemektedir.
Raman, "Nihayetinde, vücudumuzdaki hastalıklı veya hasarlı dokuları, sağlıklı fonksiyonları geri kazandırmaya yardımcı olabilecek 3 boyutlu yazıcıyla üretilmiş dokularla değiştirmek gibi rejeneratif tıp uygulamalarına doğru ilerliyoruz" diyor.
Manyetik olarak çalışan bir karıştırıcı olan MagMix, iki parçadan oluşur: biyomürekkebi katman katman 3 boyutlu dokulara bırakmak için biyoyazıcılar tarafından kullanılan şırıngaların içine yerleştirilen küçük bir manyetik pervane ve şırınganın yakınında yukarı ve aşağı hareket eden, pervanenin hareketini kontrol eden bir motora bağlı kalıcı bir mıknatıs. Bu kompakt sistem, herhangi bir standart 3 boyutlu biyoyazıcıya monte edilebilir ve biyomürekkep formülasyonunu değiştirmeden veya yazıcının normal çalışmasına müdahale etmeden baskı sırasında biyomürekkebin homojen bir şekilde karışmasını sağlar. Yaklaşımı test etmek için ekip, optimum karıştırma pervanesi geometrisini ve hızını tasarlamak için bilgisayar simülasyonları kullandı ve ardından performansını deneysel olarak doğruladı.
Raman, “MagMix, çeşitli biyomürekkep türlerinde, 45 dakikadan fazla süren sürekli baskı boyunca hücrelerin çökmesini önleyerek tıkanmayı azalttı ve yüksek hücre canlılığını korudu” diyor. “Önemlisi, karıştırma hızlarının, farklı biyomürekkep türleri için etkili homojenizasyonu dengeleyecek şekilde ayarlanabileceğini ve hücreler üzerinde minimum stres oluşturabileceğini gösterdik. Kavramsal bir kanıt olarak, MagMix'in birkaç gün içinde kas dokusuna dönüşebilecek hücreleri 3 boyutlu olarak basmak için kullanılabileceğini gösterdik.”
MagMix, uzun veya karmaşık baskı işlerinde hücre dağılımını homojen tutarak, daha tutarlı biyolojik fonksiyona sahip yüksek kaliteli dokuların üretilmesini sağlar. Cihazın kompakt, düşük maliyetli, özelleştirilebilir ve mevcut 3D yazıcılara kolayca entegre edilebilir olması, hastalık modellemesi, ilaç taraması ve rejeneratif tıp dahil olmak üzere insan sağlığı uygulamaları için tekrarlanabilir mühendislik ürünü dokular geliştirmeye çalışan laboratuvarlar ve endüstriler için geniş çapta erişilebilir bir çözüm sunmaktadır.
Bu çalışma kısmen, MIT'deki Güvenlik, Sağlık ve Çevre Keşif Laboratuvarı (SHED) tarafından desteklenmiştir. SHED, biyolojik üretim yeniliklerini laboratuvar ölçekli gösterimlerden ölçeklenebilir, tekrarlanabilir uygulamalara dönüştürmeye yardımcı olmak için altyapı ve disiplinlerarası uzmanlık sağlamaktadır.
SHED'in kurucu direktörü Tolga Durak, "SHED'de, yenilikçi yöntemlerin araştırmacıların güvenilir bir şekilde benimseyebileceği pratik araçlara dönüştürülmesini hızlandırmaya odaklanıyoruz" diyor. "MagMix, doğru teknik altyapı ve disiplinlerarası desteğin birleşimiyle biyofabrikasyon teknolojilerinin ölçeklenebilir, gerçek dünya etkisi yaratacak şekilde nasıl ilerleyebileceğinin güçlü bir örneğidir."
SHED'in bu projeye katılımı, mühendislik ve yaşam bilimleri alanlarında tekrarlanabilirliği ve erişilebilirliği artıran, gelişmiş ekipmanlara eşit erişim sağlayan ve disiplinler arası işbirliğini teşvik eden teknoloji yollarını güçlendirmeye yönelik daha geniş bir vizyonu yansıtmaktadır.
Durak, “Alan daha büyük ölçekli ve daha standartlaştırılmış sistemlere doğru ilerlerken, SHED gibi entegre laboratuvarlar sürdürülebilir kapasite oluşturmak için çok önemlidir” diye ekliyor. “Amacımız sadece keşifleri mümkün kılmak değil, aynı zamanda yeni teknolojilerin güvenilir bir şekilde benimsenmesini ve zaman içinde sürdürülmesini sağlamaktır.”
Ekip ayrıca, daha güvenli ve verimli "biyohibrid" robotlara güç sağlamak için basılı kaslar kullanmak gibi, tasarlanmış dokuların tıbbi olmayan uygulamalarıyla da ilgileniyor.
Araştırmacılar, bu çalışmanın 3D biyobaskının güvenilirliğini ve ölçeklenebilirliğini artırabileceğine ve 3D biyobaskı alanında ve insan sağlığı üzerinde önemli potansiyel etkiler yaratabileceğine inanıyor. " Aktif Yerinde Manyetik Karıştırma ile Ekstrüzyon 3D Biyobaskıda Biyomürekkep Homojenliğinin Geliştirilmesi " başlıklı makaleleri Device dergisinde yayınlandı.
