Nisan ayı içinde İsrail’den bilim insanları ilk defa 3D yazıcı kullanarak kendi kan damarları ve dokuları bulunan protez bir kalp yolunda anlamlı bir prototip yazdırmışlardı. O yazımıza buradan ulaşabilirsiniz.
Henüz aradan 1 ay geçmeden protez organ yazdırma konusunda bir büyük atılım daha bu sefer de Amerika’daki mühendislerden geldi.
Biyomühendisler, 3D yazdırılmış protez organlara giden yolda çığır açıcı bir teknik kullanarak; biyolojik baskı dokuları için büyük bir engeli ortadan kaldırdılar.
Bu yeni teknik bilim insanlarına, vücudun; kan, hava, lenf ve diğer hayati sıvılar için, doğal dolaşım yollarını taklit eden zarif damar ağları oluşturmasına izin veriyor.
Araştırma bu hafta Science dergisinin kapağında yer aldı. Havayollarını çevreleyen kan damarlarına; akciğeri taklit eden bir hava kesesinin (hidrojel bir modeliyle) oksijen pompaladığı bu görsel, adeta bu yeni tekniğin çarpıcı bir kanıtıydı
Çalışma, biyomühendisler olan Rice Üniversitesi’nden Jordan Miller ve Washington Üniversitesi’nden (UW) Kelly Stevens tarafından yönetildi. Ayrıca çalışmada Rice, UW, Duke Üniversitesi, Rowan Üniversitesi ve Massachusetts Somerville’de bir tasarım firması olan Nervous System ‘den de (Sinir Sistemi) 15 katılımcı yer aldı
Rice’da Brown Mühendislik Okulu’nda Yardımcı Doçent olan Miller, “İşlevsel doku protezleri üretme konusundaki en büyük engellerden biri; yoğun dokuları besleyecek, komplike bir damar sistemi yazdırmak konusundaki yetersizliğimizdi” dedi.
“Organlarımız aslında bağımsız damar sistemleri içerirler -örneğin akciğerdeki hava ve kan damarları ya da canlının tüm vücudundaki safra kanalları ve kan damarları gibi. Bu içi içe geçmiş ağlar, fiziksel ve biyokimyasal olarak birbirlerine dolanık olmakla birlikte, bu mimari doku fonksiyonuyla yakından ilgilidir. Bizimkisi çok damarlı sistemlerin adresleme problemiyle mücadele için, bu konuyu kapsamlı bir şekilde ele alan ilk “bioprinting” teknolojisidir.”
UW Mühendislik Fakültesi’nde Biyomühendislik Profesörü, UW Tıp Fakültesinde Patoloji Profesörü ve UW Tıp Kök Hücre ve Rejeneratif Tıp Enstitüsü’nde araştırmacı olarak görev yapan Stevens, “Çok damarlı sistemler önemlidir. Çünkü biçim ve fonksiyonellik el ele gider” dedi.
“Doku mühendisliği bu sorunla bir jenerasyon boyunca mücadele etti. Bu çalışma ile artık daha iyi bir soru sorabiliriz: ‘Eğer vücudumuzdaki sağlıklı dokular gibi görünen ve -hatta daha iyi- nefes alabilen dokular yazdırabilirsek, bunlar daha işlevsel dokular gibi davranacaklar mı?’ Bu önemli bir soru, çünkü bir yazdırılmış dokunun işlevselliğinin bir terapi olarak ne kadar başarılı olabileceğini etkileyecek.”
Bioprinting’in amacı, organ nakli ihtiyacı için fonksiyonel dokular yazdırabilmektir
Yalnızca Amerika Birleşik Devletleri’nde 100.000’den fazla insan nakil için listelerde beklemekte ve sonunda donör organları alan kişiler organ reddini önlemek için ömür boyu süren immün baskılayıcı ilaçlarla karşı karşıya kalmakta.
Bioprinting, son 10 yılda yoğun ilgi gördü. Çünkü doktorların, hastanın kendi hücrelerinden protez organlar basmalarına izin vermesi, her iki problemi de teorik olarak çözebilme imkanı doğurdu. Dünyada milyonlarca hastayı tedavi etmek için bir gün hazır fonksiyonel organ temini gerçekleştirilebilir.
Miller, “Bioprinting’in önümüzdeki 20 yıl içinde tıbbın önemli bir bileşeni haline gelmesini öngörüyoruz” dedi.
Stevens ekledi; “Karaciğer özellikle ilginç bir organdır. Çünkü ikinci bir beyni andırırcasına şaşırtıcı şekilde, akıllarda soru işareti bırakan 500 farklı fonksiyonu gerçekleştirir.”
“Karaciğer, karmaşık yapısı düşünüldüğünde, hiçbir makina ya da tedavinin onun yerini alamayacağı bir organ. Biroprinted insan organları bir gün bu tedaviyi sağlayabilir.”
Bu zorluğun üstesinden gelmek için, ekip “Doku Mühendisliği İçin Stereolitografi Aparatı” ya da kısaca SLATE (StereoLithography Apparatus for Tissue Engineering) adlı yeni bir açık kaynaklı bioprinting teknolojisi geliştirdi
Sistem, hidrojeller ile kat kat doku üretimi yapabiliyor. Fotoğrafçılığa benzeye bu teknikte hidrojeller mavi bir ışıkla kürlenerek katılaştırılır. 10 — 50 mikron yüksekliğinde 2B katmanlar üst üste yazdırılarak sonunda işlem tamamlanır.
Makalenin baş yazarları Miller ve Rice’dan yüksek lisans öğrencisi Bagrat Grigoriyan’ın çalışmalarını başarıya ulaştıran şey, hidrojellere mavi ışığı emecek gıda boyaları eklemeleri oldu. Böylece bu “fotoemiciler” kürlenmenin çok ince bir katmanda hızla gerçekleşmesini sağladı. Sistem bu şekilde birkaç dakika içinde, karmaşık iç mimariye sahip, yumuşak, su bazlı ve biyolojik olarak uyumlu jeller üretebiliyor.
Science’ın kapağında yer alan bugüne kadar ki en karmaşık akciğer taklit yapısını tasarlamak için Miller, çalışmanın ortak yazarları olan Jessica Rosenkrantz ve Nervous System’in kurucu ortaklarından Jesse Louis — Rosenberg ile işbirliği yaptı.
Rosenkrantz, “Nervous System’i kurduğumuzda, algoritmaları doğadan yeni ürünlere tasarım yoluna adapte etme hedefindeydi” dedi. “Rejenerasyon ve canlı dokuları tasarlama fırsatımız olacağını asla hayal etmedik.”
Miller, “Çok damarlılık ve damar içi yapının da eklenmesiyle, canlı doku mühendisliği için geniş bir tasarım özgürlüğü sunuyoruz” dedi. “Artık vücutta bulunan karmaşık yapıların çoğunu inşa etme özgürlüğüne sahibiz.”
Miller ve Grigoryan, araştırmanın anahtar yönlerini Volumetric adlı Houston merkezli bir start up şirketi aracılığıyla pazarlıyorlar. Grigoryan’ın tam zamanlı olarak katıldığı firma, bioprinter ve biokink (biyomürekkep) tasarlayıp ve üretiyor
Uzun zamandır açık kaynaklı bir 3D baskı şampiyonu olan Miller, Science’da yayınlanan çalışmasındaki deneylerden elde edilen tüm kaynak verilerinin serbestçe kullanılabildiğini söyledi. Ek olarak, stereolitografi baskı aparatını oluşturmak için gereken tüm 3BD yazdırılabilir dosyalar ve çalışmada kullanılan hidrojellerin her birini basmak için tasarım dosyaları da mevcut.
Miller, “Hidrojel tasarım dosyalarının kullanılabilir hale getirilmesi, bugün bulunmayan gelecekteki bir 3D baskı teknolojisini kullanıyor olsalar bile, başkalarının buradaki çabalarımızı keşfetmelerine olanak sağlayacak” dedi.
“Biz sadece insan vücudunda bulunan mimarileri araştırmamızın başlangıcındayız. Hala öğrenecek çok şeyimiz var.”
Çalışma, Robert J. Kleberg, Jr. ve Helen C. Kleberg Vakfı, John H. Tietze Vakfı, Ulusal Bilim Vakfı (National Science Foundation), Ulusal Sağlık Enstitüsü (National Institutes of Health) ve örfez Kıyısı Konsorsiyumu (Gulf Coast Consortia) tarafından desteklenmiştir.
Çalışmanın orijinaline aşağıdaki bağlantıdan ulaşabilirsiniz.
Bagrat Grigoryan, Samantha J. Paulsen, Daniel C. Corbett, Daniel W. Sazer, Chelsea L. Fortin, Alexander J. Zaita, Paul T. Greenfield, Nicholas J. Calafat, John P. Gounley, Anderson H. Ta, Fredrik Johansson, Amanda Randles, Jessica E. Rosenkrantz, Jesse D. Louis-Rosenberg, Peter A. Galie, Kelly R. Stevens, Jordan S. Miller. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. Science, 2019 DOI: 10.1126/science.aav9750
