Nowe alternatywy dla syntetycznych polimerów do biodruku 3D
W przypadku leczenia chorób lub urazów medycyna często sięga po rusztowania tkankowe. „Podobnie jak rusztowania stosowane w budownictwie, te tkankowe pomagają budować komórkom funkcjonalne tkanki" — mówi Robert Denis Murphy(odnośnik otworzy się w nowym oknie), pracownik naukowy Royal College of Surgeons w Irlandii(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Aby mogły bezpiecznie ułatwiać wzrost komórek i tworzenie tkanek, rusztowania tkankowe są zazwyczaj mikroskopijne i nanostrukturalne i zawsze muszą być biokompatybilne. „Biopolimery hydrożelowe spełniają wszystkie te wymagania” — dodaje Murphy. Biopolimery hydrożelowe są polimerami pochodzącymi ze źródeł naturalnych. Uważane są za nietoksyczne, biokompatybilne, biodegradowalne i opłacalne. Jednak pomimo ich potencjału obecna biblioteka biopolimerów hydrożelowych pozostaje dość ograniczona. W przezwyciężeniu tego ograniczenia pomaga finansowany ze środków UE projekt BioSMaLL. „Nadrzędnym celem projektu było przezwyciężenie ograniczeń obecnie stosowanych biopolimerów hydrożelowych w druku 3D poprzez zapewnienie nowych alternatyw dla polimerów syntetycznych” — wyjaśnia Murphy, który koordynował projekt. Znaczna część projektu była realizowana w laboratorium Craiga J. Hawkera(odnośnik otworzy się w nowym oknie), profesora na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara,(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Optymalizacja platform polimerowych do druku 3D
Projekt, który otrzymał wsparcie z programu działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), miał na celu stworzenie polimerów o określonej strukturze chemicznej, oferujących wysoką powtarzalność między partiami oraz kontrolowane właściwości mechaniczne. Naukowcy starali się również włączyć w te polimery grupy funkcyjne reagujące na światło, co umożliwiłoby szybką zmianę ich właściwości mechanicznych z miękkich na twarde lub z ciekłych na stałe. Podobnie jak w przypadku wielu projektów badawczych, zespół BioSMaLL jednak szybko zdał sobie sprawę, że łatwiej powiedzieć niż zrobić. „Największym problemem projektu była optymalizacja platform polimerowych do druku 3D, co nie było trywialnym zadaniem” — zauważa Murphy. „Jako że materiały te nie były wcześniej badane pod kątem takiego zastosowania, dość stromą krzywą uczenia się była możliwość chemicznej modyfikacji materiałów w celu dostosowania ich do druku 3D”.
Przełom w dziedzinie biodruku bakteryjnego
W ramach projektu powstały dwie innowacyjne platformy polimerowe. Stworzona we współpracy z ekspertami z Centrum Badań i Rozwoju Korpusu Inżynieryjnego Armii Stanów Zjednoczonych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ERDC) pierwsza platforma obejmowała genetycznie zmodyfikowane bakterie osadzone w hydrożelach, które następnie wykorzystano do drukowania 3D żywych materiałów biokompozytowych. „Bakteryjne biodrukowanie to obszar badań, który w dużej mierze pozostaje niezbadany, ale ma ogromny potencjał do wykorzystania w takich zastosowaniach biotechnologicznych, jak bioczujniki i bioremediacja” — zauważa Murphy. Prace w ramach BioSMaLL są jednym z niewielu dotychczasowych badań nad biokompozytowym drukiem 3D z wykorzystaniem bakteriami i pierwszym, które analizuje, w jaki sposób wytrzymałość mechaniczna hydrożeli wpływa na rozwój bakterii. Druga platforma obejmowała hydrożele polimerowe, których właściwości mechaniczne, a tym samym możliwość drukowania 3D, można było dostosować poprzez zmianę architektury polimeru. Wykazano, że obie platformy są biologicznie kompatybilne z układami żywych komórek.
Inspirujący projekt hydrożelu nowej generacji
Murphy ma nadzieję, że po zakończeniu projektu jego praca pomoże rozszerzyć zastosowanie hydrożeli polimerowych w biodruku 3D. „Wierzę, że projekt BioSMaLL zainspiruje następną generację hydrożelowych struktur, które będą miały wpływ nie tylko na badania, ale także na przemysł, a zwłaszcza na medycynę” — podsumowuje. Zainspirowany swoimi dotychczasowymi wynikami Murphy pracuje obecnie nad nowymi osiągnięciami w dziedzinie nowatorskich materiałów do druku 3D, dążąc do komercjalizacji takich rozwiązań w zastosowaniach biomedycznych.
