Bio-mürekkep - Bio-ink
Bioinks , 3D baskı kullanarak tasarlanmış / yapay canlı doku üretmek için kullanılan malzemelerdir . Bu mürekkepler çoğunlukla kullanılan hücrelerden oluşur, ancak genellikle hücreleri saran ek malzemelerle birlikte kullanılır. Hücrelerin ve genellikle biyopolimer jellerin kombinasyonu biyo-mürekkep olarak tanımlanır. Diğerlerinin yanı sıra reolojik , mekanik, biyofonksiyonel ve biyouyumluluk özellikleri gibi belirli özellikleri karşılamaları gerekir . Biyo-mürekkeplerin kullanılması, otomatik bir şekilde üretilmiş yapılar üzerinde yüksek bir tekrarlanabilirlik ve hassas kontrol sağlar. Bu mürekkepler, doku mühendisliği ve rejeneratif tıp (TERM) için en gelişmiş araçlardan biri olarak kabul edilir.
Geleneksel 3D baskıda sıklıkla kullanılan termoplastikler gibi , biyo-mürekkepler, baskı memeleri veya iğneler aracılığıyla, biriktirmeden sonra şekil aslına uygunluğunu koruyabilen filamentlere ekstrüde edilebilir ( Five Types of Bioinks , 26 Nisan 2017). Bununla birlikte, biyo-mürekkepler, normal 3D baskı işleme koşullarına duyarlıdır .
Geleneksel 3D baskı malzemelerinden farklılıklar
- Çok daha düşük bir sıcaklıkta basılmıştır (37 ° C veya altı)
- Hafif çapraz bağlanma koşulları
- Doğal türetme
- biyoaktif
- Hücre manipüle edilebilir
Basılabilirlik
Biyomürekkep bileşimleri ve kimyaları genellikle mevcut hidrojel biyomateryallerinden ilham alır ve türetilir. Bununla birlikte, bu hidrojel biyomateryalleri genellikle kolayca pipetlenecek ve kuyu plakalarına ve diğer kalıplara dökülecek şekilde geliştirildi. Bu hidrojellerin bileşiminin filament oluşumuna izin verecek şekilde değiştirilmesi, biyolojik olarak yazdırılabilir malzemeler olarak çevrilmeleri için gereklidir. Bununla birlikte, biyomürekkeplerin benzersiz özellikleri, malzeme basılabilirliğini karakterize etmede yeni zorluklar sunar.
Geleneksel biyobaskı teknikleri, son yapıyı oluşturmak için malzeme katman katman biriktirmeyi içerir, ancak 2019'da hacimsel biyobaskı adı verilen yeni bir yöntem tanıtıldı. Hacimsel biyobaskı, bir biyo-mürekkep sıvı bir hücreye 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 büyük gelişmeler gerçekleştirilmeden önce prosedür geliştirilmeli ve klinik olarak incelenmelidir.
Basıldıktan sonra esasen 'sabit' olan termoplastikler gibi geleneksel 3B baskı malzemelerinin aksine, biyo-bağlantılar yüksek su içeriği ve genellikle kristal olmayan yapıları nedeniyle dinamik bir sistemdir. Filaman biriktirmeden sonra bioink'in şekil uygunluğu da karakterize edilmelidir. Son olarak, baskı işlemi sırasında bioink ve bioink 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.
Yazdırılabilirlikle ilgili önemli hususlar şunları içerir:
- Filament çapında tekdüzelik
- Filamentlerin etkileşimindeki açılar
- Kesişmelerde birlikte filamanların "akması"
- Baskıdan sonra ancak çapraz bağlamadan önce şekil aslına uygunluğunun korunması
- Baskı basıncı ve nozül çapı
- Baskı viskozitesi
- Jelleşme özellikleri
Biyo Mürekkeplerin Sınıflandırılması
Yapısal
Yapısal biyo mürekkepler, aljinat, hücresizleştirilmiş ECM, jelatinler ve daha fazlası gibi malzemeleri kullanarak istenen baskının çerçevesini oluşturmak için kullanılır. Malzeme seçiminden mekanik özellikleri, şekli ve boyutu ve hücre canlılığını kontrol edebilirsiniz. Bu faktörler, bu türü Biyo-baskılı tasarımın daha temel ama yine de en önemli yönlerinden biri yapar.
kurban
Kurban biyo mürekkepler, baskı sırasında destek olarak kullanılacak ve daha sonra dış yapı içinde kanallar veya boş bölgeler oluşturmak için baskıdan çıkarılacak malzemelerdir. Kanallar ve açık alanlar, hücresel göç ve besin nakliyesine izin vermek için çok önemlidir ve bir vasküler ağ tasarlamaya çalıştıklarında onlara faydalı olur. Bu malzemelerin suda çözünürlük, belirli sıcaklıklar altında bozulma veya doğal hızlı bozulma gibi kalması gereken çevreleyen malzemeye bağlı belirli özelliklere sahip olması gerekir. Çapraz bağlı olmayan jelatinler ve pluronikler, potansiyel kurbanlık malzeme örnekleridir.
İşlevsel
Fonksiyonel biyo mürekkepler, daha karmaşık mürekkep formlarından bazılarıdır, bunlar hücresel büyümeyi, gelişmeyi ve farklılaşmayı yönlendirmek için kullanılır. Bu, büyüme faktörlerini, biyolojik ipuçlarını ve yüzey dokusu ve şekli gibi fiziksel ipuçlarını entegre etme şeklinde yapılabilir. Bu materyaller, yapısal bir fonksiyonun yanı sıra fonksiyonel bir doku geliştirmede en büyük faktör oldukları için en önemlileri olarak tanımlanabilir.
Destek
Destek mürekkepleri, basılı yapıların gelişmesine ve bazı durumlarda kendilerini destekleyebilecekleri noktaya kadar büyümelerine 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. Yapının baskıdan sonra bir biyoreaktöre sokulması gibi diğer durumlarda, bu yapılar, dokuyu daha hızlı geliştirmek için kullanılan sistemlerle kolay arayüz sağlamak için kullanılabilir.
4-D
4-D biyo mürekkepler, biyo-baskı alanının geleceğidir, yüksek işleyen doku sistemlerine sahip olmamızı sağlayacak türdendir. Karakteristikleri, uygulandıkları uyarıcıya bağlıdır, örneğin, işlevsel kas dokusu oluşturan elektriksel dürtülere bağlı olarak büzülüp gevşeyebilen gelecekteki elektriğe duyarlı bir biyo mürekkep. Gelecekteki bu malzemeler, bir hasta için uygulanabilir bir organı basma hedefine giderek yaklaşarak doku mühendisliğine ve bir bütün olarak tıp endüstrisine bakış açımızda devrim yaratma potansiyeline sahip.
Hidrojel bazlı Bio-mürekkepler
Hidrojeller, mürekkep içinde bulunan hücreler için yararlı olan yüksek bir hidrasyon seviyesini korurken, baskı ile ilgili fiziksel özellikler sergiledikleri için biyo-baskıda yararlı malzemelerdir. Bazı hidrojeller ayrıca, baskı işleminin neden olduğu yüksek kesmeyi potansiyel olarak azaltabilen ve ekstrüzyona yardımcı olan kesme inceltme davranışı sergiler. Yazdırılabilir hidrojeller, sentetik polimerler, polisakkaritler, protein ve peptit bazlı malzemeler ile 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.
polisakkaritler
Aljinat
Aljinat , biyouyumluluğu, düşük sitotoksisitesi, hafif jelleşme süreci ve düşük maliyeti nedeniyle biyotıpta yaygın olarak kullanılan kahverengi deniz yosununun hücre duvarından doğal olarak türetilmiş bir biyopolimerdir. Aljinatlar, kalsiyum gibi iki değerlikli iyonların dahil edilmesiyle hafif çapraz bağlanma koşulları nedeniyle özellikle biyo baskı için uygundur. Bu malzemeler, viskoziteleri artırılarak bioinkler olarak benimsenmiştir. Ek olarak, bu aljinat bazlı biyomürekkepler, kıkırdak gibi dokularda uygulama için nanoselüloz gibi diğer malzemelerle karıştırılabilir.
Hızlı jelleşme iyi bir basılabilirlik sağladığından, biyo- baskıda esas olarak aljinat , tek başına modifiye edilmiş aljinat veya diğer biyomateryaller ile harmanlanmış aljinat kullanılır . Aljinat, biyobaskı için en yaygın kullanılan doğal polimer haline geldi ve büyük olasılıkla in vivo çalışmalar için en yaygın tercih edilen malzemedir .
Gellan sakızı
Gellan sakızı , bakteriler tarafından üretilen hidrofilik ve yüksek moleküler ağırlıklı bir anyonik polisakkarittir. Aljinata çok benzer ve düşük sıcaklıklarda hidrojel oluşturabilir. Amerika Birleşik Devletleri Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından gıdalarda kullanım için bile onaylanmıştır . Gellan zamkı esas olarak jelleştirici ve stabilizatör olarak kullanılır. Bununla birlikte, biyo-baskı amacıyla neredeyse hiçbir zaman tek başına kullanılmaz.
agaroz
Agaroz , deniz yosunlarından ve kırmızı deniz yosunlarından elde edilen bir polisakkarittir. Jelleşme özellikleri nedeniyle elektroforez uygulamalarında ve doku mühendisliğinde yaygın olarak kullanılır . Agarozun erime ve jelleşme sıcaklıkları kimyasal olarak değiştirilebilir ve bu da basılabilirliğini daha iyi hale getirir. Belirli bir ihtiyaca ve koşula uyacak şekilde değiştirilebilen bir biyo-mürekkebe sahip olmak idealdir.
Protein bazlı Biyo-mürekkepler
Jelatin
Jelatin , işlenmiş dokular için bir biyomateryal olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Jelatin yapı iskeletlerinin oluşumu, düşük sıcaklıklarda bir jel oluşturan malzemenin fiziksel zincir dolanmaları tarafından belirlenir. Bununla birlikte, fizyolojik sıcaklıklarda jelatinin viskozitesi önemli ölçüde düşer. Jelatinin metakrilasyonu, basılabilen ve fizyolojik sıcaklıkta şekil uygunluğunu koruyabilen jelatin yapı iskeletlerinin imalatı için yaygın bir yaklaşımdır.
Kolajen
Kolajen , memeli hücrelerinin hücre dışı matrisindeki ana proteindir . Bu kolajen nedeniyle doku uyumlu fizikokimyasal özelliklere ve biyouyumluluğa sahiptir. Bunun da ötesinde, kolajen biyomedikal uygulamalarda zaten kullanılmıştır . Kollajenin kullanıldığı bazı çalışmalar, tasarlanmış cilt dokusu, kas dokusu ve hatta kemik dokusudur.
Sentetik Polimerler
Pluronics
Pluronics , benzersiz jelleşme özelliklerinden dolayı baskı uygulamasında kullanılmıştır. Fizyolojik sıcaklıkların altında, pluronikler düşük viskozite sergiler. Bununla birlikte, fizyolojik sıcaklıklarda, pluronikler bir jel oluşturur. Bununla birlikte, oluşan jele fiziksel etkileşimler hakimdir. Kimyasal olarak çapraz bağlanabilen akrilat grupları ile pluronik zincirin modifikasyonu yoluyla daha kalıcı bir pluronik bazlı ağ oluşturulabilir.
PEG
Polietilen glikol (PEG), etilen oksit polimerizasyonu ile sentezlenen sentetik bir polimerdir . Uygun, ancak tipik olarak güçlü mekanik özelliklerinden dolayı uygun bir sentetik malzemedir. PEG avantajları arasında sitotoksisite ve immünojen olmama yer alır. Bununla birlikte, PEG biyoinerttir ve biyolojik olarak aktif diğer hidrojellerle birleştirilmesi gerekir.
Diğer Biyo-mürekkepler
Hücresizleştirilmiş ECM
Hücresizleştirilmiş hücre dışı matris bazlı bioinks hemen hemen her memeli dokusunda elde edilebilir. Bununla birlikte, genellikle kalp, kas, kıkırdak, kemik ve yağ gibi organlar hücresizleştirilir, liyofilize edilir ve toz haline getirilerek daha sonra jel haline getirilebilen çözünür bir matris oluşturulur. Bu biyomürekkepler, olgun dokudan türetilmeleri nedeniyle diğer malzemelere göre çeşitli avantajlara sahiptir. Bu malzemeler, doku kökenlerine özgü ECM yapısal ve dekoratif proteinlerin karmaşık bir karışımından oluşur. Bu nedenle, dECM'den türetilmiş biyo bağlantılar, hücrelere dokuya özgü ipuçları sağlamak için özellikle uyarlanmıştır. Genellikle bu biyomürekkepler, termal jelasyon veya riboflavin kullanımı gibi kimyasal çapraz bağlama yoluyla çapraz bağlanır.