3D bioprinting je technika v oboru biomedicínského inženýrství, která již ve světě proniká do klinické lékařské praxe. České technické a přírodovědné vysoké školy proto nezahálejí a této oblasti se intenzivně věnují jak v podobě základního výzkumu, tak i následnou aplikací v propojení s komerčními subjekty. Například na FEKT UBMI VUT v Brně momentálně pracuje tým Vratislava Čmiela, vedoucího laboratoře tkáňového a buněčného inženýrství, na projektu tisku a vývoje modelu umělé cévy či tvorbě hojivé náplasti, která by dokázala regenerovat poškozenou pokožku.
Ústav biomedicínského inženýrství získal 3D biotiskárnu teprve na jaře roku 2021, ale ihned ji zakomponoval do svých výzkumných aktivit. „Primárně se zabýváme buněčným inženýrstvím a s využitím pokročilých mikroskopických technik monitorujeme chování a aktivitu živých buněk například při řízených migracích buněk v 3D prostoru, zejména v oblasti regenerativní medicíny. Biotisk je tak pro náš výzkum přínosným nástrojem, který rozšiřuje naše možnosti realizace laboratorních experimentů,“ vysvětluje na úvod. Zjednodušeně by se dalo říci, že 3D biotisk je v principu velmi podobný klasickému průmyslovému 3D tisku, místo plastů však k tisku využívá bioinkousty. Jde o materiály, které napodobují prostředí živých tkání a podporují přilnavost, růst a diferenciaci buněk po tisku. Na rozdíl od tradičních materiálů pro průmyslový 3D tisk však bioinkousty musejí mít specifické vlastnosti. „Tou první a nejdůležitější je určitě biokompatibilita, což je vlastnost, která se ověřuje při interakci bioinkoustů s živými buňkami. Biokompatibilní materiál ale zároveň nesmí být toxický, musí mít vhodnou degradovatelnost, musí být schopný podporovat vznik mezibuněčných spojů a nezpůsobovat nepříznivou imunitní reakci. Nesmí být ani mutagenní, ani karcinogenní,“ vyjmenovává Vratislav Čmiel s tím, že kromě těchto parametrů musí mít bioinkousty například také vysoký obsah vody a pórovitost, díky čemuž mohou kultivované buňky přijímat živiny a odstraňovat odpadní látky. Pro biotisk se z počátku využívaly přírodní polymery, jako jsou alginát, želatina nebo kolagen, který je hlavní složkou mezibuněčné hmoty a tvoří 30 % všech proteinů v lidském organismu. Tyto materiály jsou biokompatibilní, mají však špatnou potiskovatelnost, což vedlo k jejich úpravě: upravován byl jejich obsah, přidávaly se funkční skupiny a podobně. „Modifikace umožnila zlepšit viskozitu látek a přeuspořádat molekulární strukturu. Takové materiály mohou ztuhnout v přesně daný časový okamžik určený výzkumníkem. Nyní jsou už navíc k dispozici i zcela syntetické bioinkousty tvořené na bázi hydrogelu, které mají skvělé vlastnosti pro biotisk a jsou biokompatibilní.“
Biotiskárna umí tisknout stavební materiál rovnou i s buňkami Výzkumníkům z VUT slouží biotiskárna zejména k tomu, aby s její pomocí dokázali vytvořit objekt, jenž bude postupně prorůstat buňkami. K tomu využívají dvě metody: Buď vytvoří konstrukt, což může být například pórovitá, prostorová mřížka, na které následně buňky kultivují. Znamená to, že ty jsou na materiál dosazeny až dodatečně, po vytisknutí. Druhý princip je založen na mixování bioinkoustu s buňkami přímo při tisku. Tiskárna má totiž speciální trysku, která do hlavy, kam je vtlačován bioinkoust ze zásobní kartuše, přimíchává i gel s buňkami. „Oproti první metodě s dodatečnou kultivací buněk je tato metoda do jisté míry efektivnější. Při dodatečném osazování buňkám nějaký čas trvá, než prorostou 3D tkání, a navíc nebudou úplně rovnoměrně rozprostřené. Zatímco když použijeme rovnou biotisk základního gelu s buňkami, tak buňky dokážeme v prostoru lépe rozesadit. Navíc je tkáň hotová téměř ihned, zatímco v prvním případě bychom museli čekat, než buňky prorostou do prostoru tak, jak potřebujeme,“ vysvětluje dále Vratislav Čmiel a dodává, že tato metoda se však nedá použít vždy. „Záleží na konkrétním případu aplikace, tento kombinovaný materiál není vhodný pro všechny naše aktivity.“ Ať už v laboratoři vědci využívají kterýkoliv z popsaných dvou principů tisku, potřebují mít před vlastní výrobou hotový 3D model, podle něhož tiskárna pracuje. Vzhledem k tomu, že potřebují pouze jednoduché objekty, jsou schopní si je modelovat sami. Dalším krokem je pak práce ve speciálním softwaru dodávaném výrobcem společně s tiskárnou. Model se v něm převede na soustavu řízených pohybů, jež následně vykonává hlava tiskárny. Pro složitější objekty existuje i databáze 3D objektů, jako jsou například orgány. Zároveň lze využít pacientská data přímo z CT či z magnetické rezonance. Tiskárna, na které vědci z VUT pracují, má však i své limity. Tisk převedeného 3D modelu probíhá na „podložku“, což jsou většinou Petriho misky o průměru 10 cm či méně, a tisknout lze pouze do výšky několika centimetrů. „Naše tiskárna má omezení vzdáleností trysek od podložky, ale ono to zas až tolik nevadí, protože chování inkoustu není do přílišné výšky úplně ideální. Pokročilejší zařízení ale větší mocnost objektu zvládnou bez problémů.“ Druhé omezení pak vyplývá z objemu kartuše s bioinkoustem. Ten se pohybuje od 5 do 15 ml, což na tisk složitějších struktur není příliš mnoho. „Ale my ani takové objekty tisknout nepotřebujeme, takže nám to nevadí.“
Výzkum je zaměřen také na pochopení chování buněk v těle Tým pod vedením Vratislava Čmiela využívá tiskárnu k mnoha různým projektům. Momentálně pracuje například na vytváření speciálních vrstev pro kostní či dentální kovové implantáty z nanomateriálů, konkrétně nanotrubiček, které mohou být doplněny o léčiva nebo antibiotika. Snaží se také vytvořit léčivou vrstvu, která by mohla být použita pro potažení povrchu méně kompatibilních materiálů různých implantátů nebo lépe jako samostatná léčivá záplata, která by pomohla například k léčbě povrchových zranění. „K její tvorbě můžeme využít biodegradabilní materiál s léčivy nebo přímo s živými buňkami. Obdobně může jít o tvarovaný léčivý implantát, který využije rozložitelného materiálu a postupného uvolňování léčiv do místa poškození.“ Dalším příkladem je umělá céva, kdy se s využitím biotiskárny zajistí vytištění primárního konstruktu, do kterého lze následně vsadit pomocí živých buněk vnitřní endotelovou vrstvu. „Čili opět pracujeme s buňkami a snažíme se zajistit takovou biokompatibilitu a funkci materiálu, aby buňky vytvářely konkludentní vrstvy uvnitř cévy, které následně zkoumáme na základě průtoků a sledování jejich aktivity,“ říká dále s tím, že zatím tým pracuje s jednotlivými buňkami, které stimuluje řízeným průtokem v průtokových komůrkách. To jsou speciální sklíčka doplněná o průhlednou komůrku, aby bylo možné buňky sledovat mikroskopicky. Dalším krokem pak bude vytištění umělé cévy a zkoumání schopnosti buněk vytvářet endotelovou vrstvu uvnitř vytištěného konstruktu. /Kristina Kadlas Blümelová/
