Od kostiček k lidské kůži. Jak si postavit 3D biotiskárnu?

Jak se tisknou tkáně?

Technologie 3D biotisku využívá tzv. bioinkoust, což je suspenze živých buněk v živném hydrogelu. Tiskárna pro 3D biotisk musí být schopná nanášet vrstvičky materiálu do definované 3D struktury, která oproti klasické tkáňové kultuře s jednou vrstvou buněk umožňuje lépe napodobit fyziologické prostředí ve tkáni.

Specializované komerčně dostupné 3D biotiskárny jsou však velmi drahé. Vědci se proto rozhodli postavit si vlastní prototyp s využitím komerčně dostupné sady stavebnice LEGO, která umožňuje stavění automatizovaných robotů. Lego totiž neslouží jen pro zábavu – vědecké týmy z celého světa už z kostiček této stavebnice postavily například tenzní senzory pro charakterizaci elastických materiálů, pipetovací roboty, držáky pro optiku ke speciálním mikroskopům či mikrofluidní systémy.

Hravý koutek v laboratoři

Multidisciplinární tým inženýrů a biologů z Cardiffské univerzity nakonec zkonstruoval svou vlastní biotiskárnu za cenu 500 liber. Využili standardní kostičky ze stavebnice LEGO® Technic, speciální programovatelnou stavebnici LEGO® Mindstorms a obyčejnou laboratorní pumpu. Minipočítač ze sady Mindstorms řídí pohyb podstavce i trysky, ze které se dávkuje gel plný živých buněk (viz obrázek). Postupně se tak vrstvu po vrstvě připravuje model lidské kůže.

Obr.  3D biotiskárna

Jednotlivé kapičky alginátového hydrogelu obsahující živé buňky se tvoří v mikrofluidním systému smísením olejové (minerální olej) a vodné fáze (alginátové médium s buňkami keratinocytů) ve standardním T-spoji. Kapičky jsou poté tryskou dávkovány po definované dráze tak, aby vznikala dvojrozměrná mřížka. Poté se nanáší další vrstva. Ztuhnutí gelu se dosahuje změnou pH při mísení fází (minerální olej obsahuje ledovou kyselinu octovou, zatímco v alginátovém hydrogelu jsou přítomny částice uhličitanu vápenatého). Vzájemný poměr jednotlivých složek určuje výsledné vlastnosti vzniklého gelu.

Univerzální tiskárna

Vzorky s různou úrovní komplexity se dají připravit prostřednictvím použití různých typů „tisknutelných“ buněk. V tiskárně lze vyměňovat trysky a přizpůsobit ji na míru potřebám daného projektu. Vědci nyní zkoumají využití prototypu pro přípravu živých modelů kůže, které by se mohly využít pro testování kandidátních léčiv pro kožní nemoci či nádorová onemocnění. Zkoumají také potenciál výroby kožních štěpů pro náhradu poškozené kůže.

Tiskárnu lze replikovat kdekoliv

 „Rozhodli jsme se vytvořit biotiskárnu, kterou si může postavit kdokoli s minimálními finančními prostředky, a přesně to se nám podařilo. V našem článku nepopisujeme jen schopnosti tiskárny, ale záměrně podrobně rozebíráme každý prvek stavby, včetně konkrétních použitých dílů stavebnice Lego, aby ji bylo možné snadno replikovat v jakékoli laboratoři kdekoli na světě,“ uvedl jeden z vedoucích projektu sponzorovaného Britskou kožní nadací (British Skin Foundation), dr. Sion Coulman.

Nyní je třeba provést další experimenty, které zoptimalizují vlastnosti bioinkoustu pro lepší přežití a kompatibilitu buněk v něm obsažených. Vynálezci legové tiskárny doufají, že ostatní vědci budou technologii využívat a upravovat pro své potřeby a své zkušenosti s ní dále sdílet pro dobro celého biomedicínského základního výzkumu.

(este)

Zdroje:
1. Moukachar A., Harvey K., Roke E. et al. Development and evaluation of a low-cost LEGO 3D bioprinter: From building-blocks to building blocks of life. Adv Mater Technol 2023; 8: 2100868, doi: 10.1002/admt.202100868.
2. Coulman S., Thomas C., Castell O. We built a human-skin printer from Lego and we want every lab to use our blueprint. The Conversation, 2023 Apr 26. Dostupné na: https://theconversation.com/we-built-a-human-skin-printer-from-lego-and-we-want-every-lab-to-use-our-blueprint-203170
3. LEGO in the lab: creating the building blocks of life. Cardiff University, 2023 Jan 31. Dostupné na: www.cardiff.ac.uk/news/view/2697915-lego-in-the-lab-creating-the-building-blocks-of-life