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.
(Celý článek naleznete v aktuálním vydání Technického týdeníku.)
Foto: Jan Prokopius