Świat stoi w obliczu ogromnej ilości problemów zdrowotnych, urazów i innych schorzeń, które mogą powodować znaczny ból, cierpienie, a nawet śmierć. Wiele z tych schorzeń jest trudnych do leczenia i często wymaga skomplikowanych operacji lub długotrwałych interwencji medycznych. Aby pomóc przezwyciężyć te problemy, naukowcy i badacze medyczni na całym świecie szukają nowych sposobów na sprostanie tym wyzwaniom. Jedną z obiecujących dziedzin, która może zrewolucjonizować sposób leczenia chorób i urazów jest inżynieria tkankowa. 

O inżynierii tkankowej

Inżynieria tkankowa jest szybko rozwijającą się dziedziną, która poszukuje możliwości tworzenia zastępczych tkanek i organów przy użyciu kombinacji komórek, biomateriałów i technik inżynieryjnych. Jest to multidyscyplinarne podejście łączące biologię, chemię, fizykę i zasady inżynierii w celu stworzenia funkcjonalnych konstrukcji tkankowych, które mogą zastąpić lub naprawić uszkodzone lub chore tkanki. Nadrzędnym celem inżynierii tkankowej jest opracowanie skutecznych metod leczenia szerokiego zakresu chorób i urazów, od prostych ran skóry po skomplikowane uszkodzenia organów. Tworząc funkcjonalne tkanki i organy w laboratorium, naukowcy mogą lepiej zrozumieć, jak przebiegają choroby i jak opracować bardziej skuteczne metody leczenia (Rys. 1) [1].

Rys.1 Przykłady zastosowania inżynierii tkankowej [1]

Jednym z kluczowych wyzwań w inżynierii tkankowej jest tworzenie złożonych struktur, które występują w żywych tkankach. Tradycyjne techniki wytwarzania, takie jak formowanie wtryskowe, nie są dobrze przystosowane do tworzenia tak złożonych struktur. Jednakże dziedzina inżynierii tkankowej stale się rozwija, stale powstają nowe technologie i techniki. Tu właśnie z pomocą przychodzi druk 3D. Druk 3D polega na tworzeniu trójwymiarowych obiektów poprzez nakładanie materiału warstwa po warstwie [3]. Do najpopularniejszych metod należą:

• Modelowanie z zastosowaniem techniki Fused Deposition Modeling (FDM): Jest to najbardziej rozpowszechniony rodzaj druku 3D. Działa poprzez podgrzewanie i wytłaczanie materiału termoplastycznego przez dyszę w celu zbudowania obiektu warstwa po warstwie. FDM jest stosunkowo prostą i niedrogą metodą druku 3D, co czyni ją dostępną dla osób prywatnych i małych firm.
• Bioprinting 3D: Metoda ta wykorzystuje bioink, mieszaninę żywych komórek i materiału wspomagającego, do drukowania żywych struktur. Wydrukowana struktura jest następnie inkubowana w kontrolowanym środowisku w celu promowania wzrostu komórek i rozwoju tkanek. 
• Melt Electrowriting (MEW): Metoda ta wykorzystuje proces wytłaczania stopionego materiału, takiego jak polimer, przez cienką dyszę przy jednoczesnym zastosowaniu pola elektrycznego w celu kontroli kształtu i struktury wydrukowanego materiału. MEW jest w stanie tworzyć bardzo złożone i precyzyjne struktury o wysokiej rozdzielczości.

Jako że każda technika ma swoje unikalne zalety i wady, wybór metody zależy od projektu i pożądanych właściwości końcowego produktu. Druk 3D jest wykorzystywany do tworzenia implantów na zamówienie oraz modeli organów i tkanek in vitro. Modele in vitro mogą być wykorzystywane do badania zachowania komórek i tkanek w kontrolowanym środowisku, dostarczając cennych informacji do opracowania nowych leków i terapii. Druk 3D umożliwia również produkcję rusztowań do wzrostu tkanek, które mogą naśladować naturalną architekturę żywych tkanek. Rusztowania te mogą być wykorzystywane do zapewnienia ram dla komórek do wzrostu i różnicowania się w pożądane typy tkanek [4].

Praktyczne zastosowania technik drukowania 3D w medycynie

Przykłady wykorzystania FDM, bioprintingu 3D i MEW do tworzenia modeli in vitro, organów i tkanek, a także do opracowywania leków są liczne i na bieżąco rozwijane. W jednym z przykładów, naukowcy wykorzystali FDM do stworzenia modelu 3D kości w celu zbadania jej remodelingu i wzrostu. Badanie wykazało, że modele stworzone w FDM ściśle naśladowały właściwości mechaniczne naturalnej kości [5]. 

W innym badaniu, bioprinting 3D został wykorzystany do stworzenia modelu tkanki sercowej in vitro. Opracowany model tkanki miał podobną strukturę i funkcje biomechaniczne do naturalnej tkanki serca i mógł być wykorzystany jako potężne narzędzie do badania wpływu różnych chorób i terapii na tkankę serca [6]. 

Metoda bioprintingu 3D została również wykorzystana do wydrukowania unaczynionego modelu wątroby. Wydrukowana struktura wykazała podobieństwo do naturalnej tkanki ze zwiększoną syntezą mocznika. Ponadto model został wykorzystany do badania toksyczności różnych leków i wykazał hepatotoksyczność zależną od dawki, ujawniając swój potencjał jako platforma do efektywnego badania leków [7].

Przeprowadzono również badania nad regeneracją neuronów na rusztowaniach wytworzonych przy użyciu MEW. Wyniki pokazały, że struktury 3D były skuteczne w promowaniu regeneracji nerwów, co sugeruje, że mogą one być użytecznym narzędziem w leczeniu uszkodzeń nerwów [8]. Innym ciekawym zastosowaniem MEW jest regeneracja błony bębenkowej, która oddziela ucho zewnętrzne od środkowego. Badacze wykorzystali MEW do wytworzenia membrany, która posiada właściwości mechaniczne i akustyczne odpowiadające natywnej tkance i ma potencjał do wspierania procesu gojenia [9].

Personalizacja protez i implantów

Innym ekscytującym obszarem, w którym druk 3D wywiera duży wpływ, są spersonalizowane urządzenia medyczne, takie jak protetyka, implanty i narzędzia chirurgiczne. Przykładowo, druk 3D umożliwił tworzenie spersonalizowanych protez o skomplikowanych wzorach i kształtach, które ściśle odpowiadają anatomii poszczególnych pacjentów. Prowadzi to do poprawy komfortu życia pacjentów oraz funkcjonalności i estetyki samych protez. Ponadto, druk 3D może być również wykorzystywany do produkcji narzędzi chirurgicznych, które mogą poprawić dokładność i precyzję procedur, prowadząc do bardziej efektywnego leczenia pacjentów [10]. 

To tylko kilka z wielu przykładów, gdzie technologie druku 3D są wykorzystywane w badaniach i rozwoju medycyny. Wraz z ciągłym postępem w tych dziedzinach, potencjał przełomów w leczeniu chorób i urazów jest ogromny.

Świetlana przyszłość rozwoju druku 3D

Jak widać, druk 3D jest szybko rozwijającą się technologią, która ma potencjał do dalszego rewolucjonizowania dziedziny inżynierii tkankowej. Jego zdolność do tworzenia złożonych i niestandardowych struktur, a także opłacalność, czynią go obiecującą technologią dla badań medycznych i leczenia różnych chorób. Zdolność druku 3D do tworzenia wszczepialnych urządzeń, takich jak rusztowania i modele in vitro, otwiera nowe możliwości w inżynierii tkankowej i rozwoju leków. 

Drukowanie 3D ma potencjał, aby zmienić sposób, w jaki podchodzimy do badań medycznych i poprawić wyniki pacjentów. W dalszym ciągu jednak pozostaje przed nami wiele wyzwań, takich jak poprawa dokładności i rozdzielczości drukowanych modeli oraz skalowanie produkcji w celu zaspokojenia zapotrzebowania na duże ilości funkcjonalnej tkanki. Pomimo tych wyzwań, przyszłość druku 3D w badaniach medycznych jest świetlana i prawdopodobnie będziemy świadkami ciągłego postępu i rozwoju w tej dziedzinie w nadchodzących latach.

Adnotacja od redakcji: Rozwój technologii druku 3D stanowi obiecującą perspektywę dla Polski, zwłaszcza w kontekście sektora medycznego. W miarę postępu technologicznego i rosnącej precyzji tej metody, istnieje szansa na stworzenie nowatorskich rozwiązań w zakresie inżynierii tkankowej, diagnostyki oraz terapii.

Bibliografia:

1. O’Brien, F.J., Biomaterials & scaffolds for tissue engineering. Materials Today, 2011. 14(3): p. 88-95. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(11)70058-X
2. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=13810
3. Chung, J.J., et al., Toward Biomimetic Scaffolds for Tissue Engineering: 3D Printing Techniques in Regenerative Medicine. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2020. 8. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.586406
4. Zieliński, P.S., et al., 3D printing of bio-instructive materials: Toward directing the cell. Bioactive Materials, 2023. 19: p. 292-327. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.04.008
5. Sudheesh Kumar, P.T., et al., Additively manufactured biphasic construct loaded with BMP-2 for vertical bone regeneration: A pilot study in rabbit. Materials Science and Engineering: C, 2018. 92: p. 554-564. https://doi.org/10.1016/j.msec.2018.06.071
6. Wang, Z., et al., 3D bioprinted functional and contractile cardiac tissue constructs. Acta Biomaterialia, 2018. 70: p. 48-56. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.02.007
7. Janani, G., et al., Mimicking Native Liver Lobule Microarchitecture In Vitro with Parenchymal and Non-parenchymal Cells Using 3D Bioprinting for Drug Toxicity and Drug Screening Applications. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022. 14(8): p. 10167-10186. https://doi.org/10.1021/acsami.2c00312
8. Zhang, Z., et al., 3D anisotropic photocatalytic architectures as bioactive nerve guidance conduits for peripheral neural regeneration. Biomaterials, 2020. 253: p. 120108. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120108
9. von Witzleben, M., et al., Biomimetic Tympanic Membrane Replacement Made by Melt Electrowriting. Advanced Healthcare Materials, 2021. 10(10): p. 2002089. https://doi.org/10.1002/adhm.202002089
10. Aimar, A., A. Palermo, and B. Innocenti, The Role of 3D Printing in Medical Applications: A State of the Art. Journal of Healthcare Engineering, 2019. 2019: p. 5340616. https://doi.org/10.1155/2019/5340616