Derya Körahmetoğlu, Ömer Can, Maide Tepeltepe, Gökçen Yılmaz yazdı

Merhaba sayın yolcularımız, bu yolculuğumuzda kök hücrelerin mutfağına gidiyor olacağız! Malzemelerimiz kök hücreler olacak fakat fırın yerine 3 boyutlu yazıcıları kullanacağız. Ve yepyeni, taptaze organlar yapacağız! Laboratuvar koşullarında kök hücre teknolojisini ve 3D biyoyazıcıları birleştirerek doku ve organlar üreteceğiz.

Üç boyutlu basım, üç boyutlu olarak çalışılmak istenen doku ya da organ için tabakalar halinde dokuyu ya da organı oluşturan biyolojik ve biyokimyasal moleküllerin (hücreler, ekstrasellüler matriks proteinleri, biyolojik kuvvetler) ortama katılarak taklit edilmesi olarak tanımlanabilir. 

Bilgisayar destekli tasarım (CAD) programı kullanarak herhangi bir nesneyi katı formda basma işlemi olan 3 boyutlu biyobaskı; yaralı veya hastalıklı doku ve organların yerini alacak olan yeni doku ve organ yapımını sağlayan bir teknolojidir. 

Organ ve doku ihtiyacı tüm dünyada önemli sorunlardan biriyken yeterli sayıda bağışın olmaması sorununun giderilmesi için alternatif yolların aranmasını gündeme getirmiştir. Teknolojinin ilerlemesiyle kök hücreler ile birlikte kullanılabilen çeşitli biyomalzemeler geliştirilmiştir. Doku ve organı daha iyi taklit edebilecek yapıların oluşturulabilmesi için yeni teknolojiler geliştirilmiş ve beraberinde 3D baskı cihazları gündeme gelmiştir.

İlk üç boyutlu baskı teknolojisi 1980’li yıllardan itibaren hayatımıza girmiş ve kısa sürede yaygınlaşmıştır. Çalışan ilk üç boyutlu yazıcı 1984’te Chuck Hull tarafından geliştirilmiştir. 1986’da Charles Chuck Hull, en eski 3 boyutlu yazıcılardan biri olan stereolitografi makinesinin patentini almış ve üç boyutlu baskı teknolojisinde yeni bir çağ başlamıştır. 

1988’de ise Scott Crump, başka bir 3 boyutlu baskı teknolojisi olan Fusion Deposition Modeling (FDM) geliştirmiştir. Günümüzde üretim sürecinde en yaygın kullanılan FDM yöntemidir ve iki boyutlu cismin katmanlarını bilgisayarda üç boyutlu bir modelle istifleyerek üç boyutlu bir ürün elde etmek üzere dizayn edilmiştir.

Kök hücrelerden türetilen 3D kültür sistemleri olan insan organoidlerinin ortaya çıkışıyla birlikte, organları yeniden oluşturmak artık mümkün. İnsan organoidleri, insan hastalıklarının incelenmesi için benzersiz fırsatlar sunuyor! Organoidler ile, bulaşıcı hastalıkları, genetik bozuklukları ve kanserleri incelemek artık mümkün. Böylece, diğer model sistemlerde geliştirilen insan biyolojisini daha hızlı anlamamızı sağlaması bekleniyor.

2006 yılında Atala, ilk defa otolog hücre ve malzeme mühendisliği yöntemi ile üretilmiş olan  yapay mesaneyi transplante etmiştir. Bunu, kök hücre kullanımı ile oluşturulan üç boyutlu trake nakli izlemiştir.

Günümüzde üç boyutlu yazıcı teknolojisinin bir türü olan biyobaskı; yapay organ basımı, eksik kemik parçalarını tamamlama, özel protez yapma gibi sağlık sektörü uygulamalarında yer bulmuştur. Özellikle son 10 yılda biyobaskı teknolojisi, canlı hücreleri, doğal veya sentetik biyomateryalleri laboratuvar ortamlarında hassas bir şekilde konumlandırarak doku iskeletleri veya canlı doku ve organların oluşturulmasında önemli ilerlemeler kaydetmiştir.

Tablo 1.  3B baskı teknolojileri ile üretilen bazı ürünler.

YAPILAN ÜRÜNLER
Üst ekstremite ortezi
Cerrahi eğitimi için yarık damak patolojisi
Stoma
Kafatası kemiği
Kemik, kıkırdak, böbrek doku iskeleleri
Pelvis kemiği

Sağlık alanında yaygın kullanımına bakıldığında;

• Anatomik modellerin yapılmasında,
• Cerrahi planlama ve radyolojide,
• Ortez-protez-implant üretiminde,
• Farmakolojik uygulamalarda,
• Cerrahi enstrüman üretiminde,
• Bireye özel cerrahi ve medikal cihazlar, yüz, kol, bacak gibi uzuv protezleri ve yardımcı işitme cihazlarının üretiminde,
• Simülasyon ve eğitim alanında kullanımı ağırlık kazanmaktadır.

3D Organ Basımı Teknik Boyutu

3D organ basımının ne olduğunu ve hangi amaçlar için kullanıldığını öğrendik. Şimdi biraz da işin teknik boyutuna bakalım. Biyobaskı için üç ana yöntem bulunmaktadır. Bunlar: mürekkep püskürtmeli biyobaskı, lazer destekli biyobaskı ve ekstrüzyona dayalı biyobaskıdır. Gelin, bu baskı yöntemlerine ve basım işleminde kullanılan biyomürekkeplere yüzeysel olarak göz atalım.

Biyomürekkepler

3B biyobaskı işleminde kullanılan ve biyolojik olarak yazdırılabilir malzemelerdir. İlk ve en çok kullanılan çeşit olan iskele tabanlı mürekkeplerde hücreler; hidrojellere, mikro taşıyıcılara veya hücresizleştirilmiş matriks bileşenlerine yüklenerek istenilen doku basılır. İskelesiz biyofonksiyonel mürekkeplerde ise canlı hücreler embriyonik gelişimi taklit edebilecek şekilde direkt olarak basılır.

1. Mürekkep Püskürtmeli Biyobaskı

     Canlı hücreleri yazdırmaya yönelik ilk girişim bu teknikle yapılmış olup ısı, piezoelektrik ve mekanik olmak üzere üç yönteme sahiptir. Şekilde görüldüğü üzere bu teknikte bir haznedeki biyomürekkebin haznenin ucundaki deliklerden (nozul) boşalması sağlanır. Genellikle hücre ve malzemelerle uyumluluğu, yüksek basım hızı, yüksek hücre canlılığı ve düşük maliyeti sebebiyle tercih edilir.      

        2. Lazer Destekli Biyobaskı              

         Hücreler, kontrollü hızlarda titreşen bir lazer ışınıyla basılır.  Bu metotta geniş viskozite aralığındaki materyaller basılabilir. Ayrıca nozül bulunmadığı için diğer tekniklerde karşılaşılan sorunlardan biri olan nozül tıkanması olmaz. 

3. Ekstrüzyona Dayalı Biyobaskı

Mürekkebin mekanik kuvvet ile veya pnömatik olarak (bir gaz veya basınçla) basılmasına dayanır. Bu metot yüksek viskoziteli materyallere uyumlu olmasının yanında yüksek hücre yoğunluğu ile basım yapabilme avantajları sağlar.. Viskozite düştükçe artırılan basınç hücre canlılığını olumsuz olarak etkiler.  

Kaynaklar:

1. Akbaş, G , Oral, O , Bilgin, S . (2018). THREE DIMENSIONAL PRINTER APPLICATIONS IN THE HEALTH SECTOR: CURRENT SITUATION AND FUTURE . International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry , 2 (2) , 88-98 . Retrieved from https://dergipark.org.tr/en/pub/ij3dptdi/issue/38540/424529 
2. Kim, J., Koo, BK. & Knoblich, J.A. Human organoids: model systems for human biology and medicine. Nat Rev Mol Cell Biol 21, 571–584 (2020). https://doi.org/10.1038/s41580-020-0259-3
3. Ong CS, Yesantharao P, Huang CY, Mattson G, Boktor J, Fukunishi T, Zhang H, Hibino N. 3D bioprinting using stem cells. Pediatr Res. 2018 Jan;83(1-2):223-231. doi: 10.1038/pr.2017.252. Epub 2017 Nov 1. PMID: 28985202. 
4. Kačarević ŽP, Rider PM, Alkildani S, Retnasingh S, Smeets R, Jung O, Ivanišević Z, Barbeck M. An Introduction to 3D Bioprinting: Possibilities, Challenges and Future Aspects. Materials (Basel). 2018 Nov 6;11(11):2199. doi: 10.3390/ma11112199. PMID: 30404222; PMCID: PMC6266989.
5. SALTIK B., Artificial Tissue Formation from Stem Cells, Techniques, Trends and Technologies. Turkiye Klinikleri J Plast Surg-Special Topics. 2015;4(3):38-42.