Οι μεταμοσχεύσεις οργάνων προσφέρουν σανίδα σωτηρίας σε άτομα με σοβαρές ασθένειες, δυστυχώς όμως υπάρχουν πολύ λίγα όργανα προς διάθεση: στις ΗΠΑ μόνο, υπάρχουν περισσότεροι από 112,000 άνθρωποι σε λίστα αναμονής για μεταμόσχευση. Η υπόσχεση-ελπίδα για όργανα τρισδιάστατης εκτύπωσης ίσως είναι μία πιθανή λύση για την αντιμετώπιση αυτής της έλλειψης, ωστόσο είναι πολύπλοκη και έχει πολλές τεχνικές δυσκολίες, περιορίζοντας τον τύπο των οργάνων που θα μπορούσαν να εκτυπωθούν. Οι ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας Stevens, φαίνεται ότι τώρα είναι σε θέση να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια, αξιοποιώντας μια τεχνική δεκαετιών για την αναπαραγωγή οποιουδήποτε τύπου ιστού.
Η εργασία, με επικεφαλής τον Robert Chang, αναπληρωτή καθηγητή στο τμήμα μηχανολογίας στο Stevens’ Schaefer School of Engineering & Science, θα μπορούσε να ανοίξει μονοπάτια για τρισδιάστατη εκτύπωση οποιουδήποτε είδους οργάνου ανά πάσα στιγμή, ακόμη και δέρμα απευθείας σε μια ανοιχτή πληγή.
«Η δημιουργία νέων οργάνων κατά παραγγελία και η διάσωση ζωών χωρίς την ανάγκη ανθρώπινου δότη θα είναι ένα τεράστιο όφελος για την υγειονομική περίθαλψη», δήλωσε ο Robert Chang, η εργασία του οποίου εμφανίζεται στο τεύχος Απριλίου του Scientific Reports. «Ωστόσο, η επίτευξη αυτού του στόχου είναι δύσκολη, επειδή η εκτύπωση οργάνων με χρήση «βιο-μελάνης» (υδρογέλης που χρησιμοποιεί κύτταρα καλλιέργειας) απαιτεί έναν βαθμό λεπτομερούς ελέγχου της γεωμετρίας και του μεγέθους της εκτυπωμένης μικροΐνας που οι σημερινοί 3D εκτυπωτές απλά δεν μπορούν να επιτύχουν.”
Ο Chang και η ομάδα του, συμπεριλαμβανομένου του Ahmadreza Zaei, πρώτου συγγραφέα και υποψήφιου διδάκτορα στο εργαστήριο του Chang, ελπίζουν να το αλλάξουν αυτό με μια νέα διαδικασία fast track, τρισδιάστατης εκτύπωσης που χρησιμοποιεί μικρο-ρευστά (υλικά που επιτρέπουν τον ακριβή χειρισμό υγρών μέσω μικροσκοπικών καναλιών) για να λειτουργήσει σε πολύ μικρότερη κλίμακα από ό,τι ήταν μέχρι τώρα δυνατό. “Η πρόσφατη δημοσίευση στοχεύει να βελτιώσει την έλεγχο και την προβλεψιμότητα στη δομή των κατασκευασμένων μικροϊστών και μικροϊνών που ενεργοποιούνται από την τεχνολογία μικρο-ρευστών βιοεκτύπωσης”, δήλωσε ο Zaeri.
Οι περισσότεροι σύγχρονοι τρισδιάστατοι βιο-εκτυπωτές βασίζονται στην εξώθηση και εκτοξεύουν βιομελάνη από ένα ακροφύσιο για να δημιουργήσουν δομές στα 200 microns (περίπου το ένα δέκατο της διαμέτρου από ένα spaghetti μακαρόνι!). Ένας εκτυπωτής που βασίζεται σε μικρο-ρευστά θα μπορούσε να εκτυπώσει βιολογικά αντικείμενα με μέτρηση της τάξης των δεκάδων μικρομέτρων στο ίδιο επίπεδο με την απλή κυτταρική κλίμακα.
«Η κλίμακα είναι πολύ σημαντική, γιατί επηρεάζει τη βιολογία του οργάνου», είπε ο Τσανγκ. «Λειτουργούμε στην κλίμακα των ανθρώπινων κυττάρων και αυτό μας επιτρέπει να εκτυπώνουμε δομές που μιμούνται τα βιολογικά χαρακτηριστικά που προσπαθούμε να αναπαράγουμε».
Εκτός από τη λειτουργία σε μικρότερη κλίμακα, το μικρό-υγρό επιτρέπει επίσης πολλαπλά βιο-μελάνια, το καθένα από τα οποία περιέχει διαφορετικά κύτταρα και πρόδρομους ιστούς, να χρησιμοποιούνται εναλλακτικά σε μια ενιαία έντυπη δομή, με τον ίδιο σχεδόν τρόπο που ένας συμβατικός εκτυπωτής συνδυάζει έγχρωμα μελάνια σε μια ενιαία ζωντανή εικόνα.
Αυτό είναι σημαντικό γιατί ενώ οι ερευνητές έχουν ήδη δημιουργήσει απλά όργανα όπως η ουροδόχος κύστη αναπτύσσοντας ιστούς σε τρισδιάστατα ικριώματα, σε πιο πολύπλοκα όργανα όπως το συκώτι και τα νεφρά απαιτείται ο ακριβής συνδυασμός πολλών διαφορετικών τύπων κυττάρων. «Το να μπορούμε να λειτουργούμε σε αυτή την κλίμακα, ενώ αναμιγνύουμε με ακρίβεια βιο-μελάνια, καθιστά δυνατή την αναπαραγωγή οποιουδήποτε τύπου ιστού», είπε ο Τσανγκ.
Η μείωση της κλιμακας της τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης απαιτεί επίπονη έρευνα για να καταλάβουμε ακριβώς πώς διαφορετικές παράμετροι διεργασίας όπως οι δομές των καναλιών, η ταχύτητα ροής και η δυναμική των υγρών επηρεάζουν τις γεωμετρίες και τις ιδιότητες του υλικού των τυπωμένων βιολογικών δομών. Για να απλοποιήσει αυτή τη διαδικασία, η ομάδα του Chang δημιούργησε ένα υπολογιστικό μοντέλο μιας κεφαλής εκτύπωσης μικρο-ρευστών, που τους επιτρέπει να τροποποιούν τις ρυθμίσεις και να προβλέπουν τα αποτελέσματα χωρίς την ανάγκη επίπονων πειραματισμών στον πραγματικό κόσμο
«Το υπολογιστικό μας μοντέλο προάγει μια τυπική εξαγωγή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη των διαφόρων γεωμετρικών παραμέτρων των κατασκευασμένων δομών, που εξωθούνται από τα κανάλια μικρο-ρευστών», είπε ο Zaeri. Τα υπολογιστικά μοντέλα της ομάδας πρόβλεψαν με ακρίβεια τα αποτελέσματα των πραγματικών πειραμάτων μικρο-ρευστών και ο Chang χρησιμοποιεί το μοντέλο του για να καθοδηγήσει πειράματα σχετικά με τους τρόπους με τους οποίους μπορούν να εκτυπωθούν βιολογικές δομές με διαφορετικές γεωμετρίες.
Τα αποτελέσματα αυτής της ερευνητικής εργασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην εκτύπωση συνδυασμένης βιομελάνης πολλαπλών τύπων κυττάρων, που μπορούν να αναπαράγουν τον ιστό με γεωμετρικές και συνθετικές ιδιότητες που βρίσκονται στη διασταύρωση οστού και μυός.
Ο Chang διερευνά επίσης τη χρήση τρισδιάστατης εκτύπωσης με δυνατότητα μικρο-ρευστών για την επιτόπια δημιουργία δέρματος και άλλων ιστών, επιτρέποντας στους ασθενείς να εκτυπώνουν ιστούς αντικατάστασης απευθείας σε μια πληγή. «Αυτή η τεχνολογία είναι ακόμα τόσο νέα που δεν ξέρουμε ακριβώς τι θα επιτρέψει», είπε. «Αλλά γνωρίζουμε ότι θα ανοίξει την πόρτα για τη δημιουργία νέων δομών και σημαντικών νέων τύπων βιολογίας».
ΠΗΓΗ: Stevens.edu