Biyo-mürekkep
Biyo-mürekkepler, 3B baskı kullanarak tasarlanmış yapay olan canlı dokuyu üretmek için kullanılan malzemelerdir. Bu mürekkepler hücrelerden oluşur, ancak genellikle hücreleri saran ek malzemelerle birlikte kullanılır. Hücrelerin ve biyopolimer jellerin kombinasyonu biyo-mürekkep olarak tanımlanır. Reolojik, mekanik, biyofonksiyonel ve biyouyumluluk gibi belirli özellikleri olması gerekir. Bu mürekkepler, doku mühendisliği ve rejeneratif tıp için en gelişmiş araçlardan biri olarak kabul edilir.
Geleneksel 3B baskı malzemelerinden farklılıkları
- Çok daha düşük bir sıcaklıkta basılmıştır (37 °C veya altı)
- Hafif çapraz bağlanma koşulları
- Doğal türetme
- Biyoaktif olması
Yazdırılabilirlik
Biyo-mürekkep, bileşimleri ve kimyaları genellikle ilham alır ve mevcut hidrojel biyomateryallerinden türetilir. Bu hidrojel biyomateryaller genellikle kuyu plakalarına ve diğer kalıplara dökülebilecek şekilde geliştirilmiştir. Bu hidrojellerin bileşiminin filament oluşumuna izin verecek şekilde değiştirilmesi, biyo-yazdırılabilir malzemeler olarak dönüştürülmeleri için gereklidir. Bununla birlikte, biyo bağlantıların benzersiz özellikleri, malzeme basılabilirliğini karakterize etmede yeni zorluklar sunmaktadır.
Geleneksel biyo-baskı teknikleri, son yapıyı oluşturmak için malzemenin katman katman biriktirilmesini içerir, ancak 2019'da hacimsel biyo baskı adı verilen yeni bir yöntem tanıtıldı. Hacimsel biyo-baskı, sıvı bir hücreye biyo-mürekkep yerleştirildiğinde ve bir enerji kaynağı tarafından seçici olarak ışınlandığında meydana gelir. Bu yöntem, ışınlanmış malzemeyi aktif olarak polimerize edecek ve son yapıyı oluşturacaktır. Biyo-mürekkeplerin hacimsel biyo-baskısını kullanarak biyomalzemelerin üretilmesi, üretim süresini büyük ölçüde azaltabilir. Malzeme biliminde bu, kişiselleştirilmiş biyomalzemelerin hızlı bir şekilde üretilmesine izin veren bir dönüm noktasıdır. Biyo-baskı endüstrisindeki herhangi bir büyük ilerleme gerçekleştirilmeden önce prosedür geliştirilmeli ve klinik olarak incelenmelidir.
Basıldıktan sonra esasen 'sabit' olan termoplastikler gibi geleneksel 3B baskı malzemelerinin aksine, biyo-mürekkepler yüksek su içeriği ve kristal olmayan yapıları nedeniyle dinamik bir sistemdir. Biyo-mürekkebin filament birikmesinden sonraki şekil uygunluğu da karakterize edilmelidir. Son olarak, baskı işlemi sırasında biyo-mürekkep ve biyo-mürekkep içindeki herhangi bir hücreye yerleştirilen kesme gerilimlerini en aza indirmek için baskı basıncı ve nozül çapı hesaba katılmalıdır. Çok yüksek kesme kuvvetleri hücrelere zarar verebilir veya parçalayarak hücre canlılığını olumsuz yönde etkileyebilir.
Yazdırılabilirlik ile ilgili önemli hususlar:
- Filament çapında tekdüzelik
- Filamentlerin etkileşimindeki açılar
- Kesişmelerle birlikte filamentlerin "akması"
- Baskıdan sonra, çapraz bağlamadan önce şekil uygunluğunun korunması
- Baskı basıncı ve nozül çapı
- Baskı vizkozitesi
- Jelleşme özellikleri
Biyo-mürekkeplerin sınıflandırılması
Yapısal
Yapısal biyo-mürekkepler, aljinat, hücresizleştirilmiş ECM, jelatinler ve daha fazlası gibi malzemeler kullanılarak istenen baskının çerçevesini oluşturmak için kullanılır. Malzeme seçiminde mekanik özellikleri, şekli, boyutu ve hücre canlılığı kontrol edilir. Bu faktörler, Biyo-basılı bir tasarımın daha temel ancak en önemli yönlerinden biri haline getirir.
Feda edilen
Feda edilen biyo mürekkepler, baskı sırasında destek olarak kullanılacak ve daha sonra dış yapı içinde kanallar veya boş bölgeler oluşturmak için baskıdan çıkarılacak malzemelerdir. Bu malzemelerin suda çözünürlük, belirli sıcaklıklar altında bozulma veya doğal hızlı bozulma gibi çevreleyen malzemeye bağlı belirli özelliklere sahip olması gerekir. Çapraz bağlı olmayan jelatinler ve pluronikler, potansiyel feda edilen malzeme örnekleridir.
Fonksiyonel
Fonksiyonel biyo-mürekkepler, daha karmaşık mürekkep formlarından bazılarıdır. Bunlar hücresel büyümeyi, gelişmeyi ve farklılaşmayı yönlendirmek için kullanılır. Yapısal bir fonksiyonun yanı sıra fonksiyonel bir doku geliştirmede büyük bir faktör oldukları için önemli bir role sahiplerdir.
Destekleyici
Destek mürekkepleri, basılı yapıların bazı durumlarda kendilerini destekleyebilecekleri noktaya kadar gelişmesine ve büyümesine izin vermek için kullanılır. Biyo baskılı yapılar, baskıdan sonraki erken dönemde karmaşık yapılar ve çıkıntılar nedeniyle son derece kırılgan ve dayanıksız olabilir, bu destek yapıları onlara bu aşamadan çıkma şansı verir. Yapı kendi kendini desteklediğinde, bunlar kaldırılabilir. Baskıdan sonra yapının bir biyoreaktöre tanıtılması gibi diğer durumlarda, bu yapılar dokuyu daha hızlı geliştirmek için kullanılan sistemlerle arayüze izin vermek için kullanılabilir.
Dört boyutlu
4 boyutlu biyo-mürekkepler biyoyazıcılık alanının geleceğidir, yüksek işleyişli doku sistemlerine sahip olmamızı sağlayacak tiplerdir. Karakteristikleri, tanıtıldıkları uyarana bağlıdır. Bu geleceğin malzemeleri, bir hasta için uygun bir organ basma hedefine daha da yaklaşarak doku mühendisliğine ve tıp endüstrisine bakış açımızda devrim yaratma potansiyeline sahiptir.
Hidrojel bazlı biyo-mürekkepler
Hidrojeller, mürekkep içinde bulunan hücreler için faydalı olan yüksek seviyede hidrasyonu korur. Baskıyla ilgili fiziksel özellikler sergiledikleri için biyobaskıda faydalı malzemelerdir. Yazdırılabilir hidrojeller, sentetik polimerler, polisakaritler, protein ve peptit bazlı malzemelerle en yaygın kullanım alanı bulan sentetik veya doğal olarak türetilmiş baz bileşenleri içerebilir. Biyo mürekkebin özelliklerini belirli bir baskı yöntemine ayarlamak için bu malzemeler tek bileşenli veya çok bileşenli formülasyonlarda kullanılabilir.
Protein Bazlı biyo-mürekkepler
Jelatin
Jelatin, işlenmiş dokular için yaygın olarak kullanılmaktadır. Jelatin yapı iskelelerinin oluşumu, düşük sıcaklıklarda bir jel oluşturan malzemenin fiziksel zincir dolanmaları tarafından belirlenir. Bununla birlikte, fizyolojik sıcaklıklarda jelatinin viskozitesi önemli ölçüde düşer. Jelatinin metakrilasyonu, yazdırılabilen ve fizyolojik sıcaklıkta aslına uygunluğunu koruyan jelatin yapı iskelelerinin üretimi için yaygın bir yaklaşımdır.
Kolajen
Kolajen, memeli hücrelerinin hücre dışı matrisindeki ana proteindir. Bu nedenle doku, uyumlu fizikokimyasal özelliklere ve biyouyumluluğa sahiptir. Bunun da ötesinde, kolajen biyomedikal uygulamalarda zaten kullanılmaktadır. Kolajenin kullanıldığı bazı çalışmalar, cilt dokusu, kas dokusu ve hatta kemik dokusudur.
Sentetik Polimerler
Pluronikler
Pluronikler, benzersiz jelleşme özelliklerinden dolayı baskı uygulamalarında kullanılmıştır. Fizyolojik sıcaklıkların altında, pluronikler düşük viskozite sergiler. Bununla birlikte, fizyolojik sıcaklıklarda, pluronikler bir jel oluşturur. Ayrıca, oluşan jele fiziksel etkileşimler hakimdir. Pluronik zincirin kimyasal olarak çapraz bağlı olabilen akrilat gruplarıyla modifikasyonu yoluyla daha kalıcı bir pluronik tabanlı ağ oluşturulabilir.
PEG
Polietilen glikol (PEG), etilen oksit polimerizasyonu ile sentezlenen sentetik bir polimerdir. Tipik olarak güçlü mekanik özellikleri nedeniyle uygun bir sentetik malzemedir. PEG avantajları arasında sitotoksisite olmaması ve immünojenik olmaması da yer alır. Bununla birlikte, PEG biyoinerttir ve diğer biyolojik olarak aktif hidrojellerle birleştirilmesi gerekir.