Największe wyzwania dla biodruku - jak blisko jesteśmy ich rozwiązania?

Czy biodruk tkanek i organów w technologii 3D to science fiction, czy niedaleka przyszłość? Dowiedz się, jakie są obecne i potencjalne zastosowania biodruku oraz największe wyzwania, z którymi zmaga się technologia biodruku 3D.

Największe wyzwania dla biodruku - jak blisko jesteśmy ich rozwiązania?

Jednym z największych problemów, z którymi boryka się współczesna medycyna jest niewystarczająca ilość dawców, aby zaspokoić potrzeby ludzi oczekujących na przeszczepy przy rosnącej liczbie pacjentów. Potencjalnym rozwiązaniem, z którym naukowcy wiążą wielkie nadzieje jest Biodruk w technologii 3D. Technologia drukowania żywych tkanek nadal napotyka jednak wiele przeszkód na drodze do rozwoju.

Czym jest biodruk 3D?

Biodruk to technologia tworzenia żywych tkanek, a w założeniu, także całych, funkcjonalnych organów do przeszczepów i do użycia w leczeniu ran i testowaniu leków. W tym celu wykorzystywane są żywe komórki i specjalne biożele i biotuszy. Podobnie jak w przypadku druku 3D z użyciem tworzyw sztucznych, druk opiera się na cyfrowym modelu. Jeśli chcesz lepiej zrozumieć podstawy tej technologii, sprawdź nasz przewodnik o tym, czym jest druk 3D. Istnieje kilka metod biodruku, w tym biodruk oparty na wytłaczaniu przez dyszę, naświetlaniu i stymulowaniu wzrostu komórek za pomocą światła, oraz biodruk wspomagany laserem.

Dlaczego rozwój biodruku jest tak ważny dla medycyny? Zastosowania biodruku

Biodrukowanie znajduje się wciąż na wczesnym etapie rozwoju, a do powszechnego zastosowania druku 3D w medycynie nadal daleko. Dotychczasowe sukcesy w przeszczepach z wykorzystaniem biodruku skupiały się na prostych organach: pęcherzu (2006, USA) i tchawicy (2024, Korea). Niemniej jednak technologia ta wydaje się bardzo obiecująca w kontekście rosnącego kryzysu związanego z niedoborem dawców narządów oraz kwestii etycznych związanych z opracowywaniem leków. Biodruk to jedno z najbardziej obiecujących, ale nie jedyne zastosowania druku 3D w medycynie, o których warto wiedzieć.

Drukowanie organów i tkanek do przeszczepu

Jednym z celów badań nad biodrukowaniem jest ograniczenie reakcji odrzucenia przeszczepów organów poprzez wykorzystanie komórek pochodzących od samego pacjenta jako podstawy dla nowo wydrukowanej tkanki lub narządu. Poza odtwarzaniem żywych tkanek druk 3D znajduje już dziś praktyczne zastosowanie, czego przykładem są drukowane w 3D elementy protetyczne.

Biodrukowanie jest postrzegane jako potencjalne rozwiązanie kryzysu związanego z niedoborem dawców oraz sposób na zaspokojenie potrzeb pacjentów, którzy spędzają miesiące, a nawet lata na listach oczekujących na przeszczep. W Polsce ta liczba utrzymuje się na poziomie ok. 2000 osób, a w przypadku oczekujących na przeszczep rogówki, które w statystykach Centrum Organizacyjno-Koordynacyjnego ds. Transplantacji „Poltransplant” ujmowane są osobno, ponad 3000 osób. Ten czas oczekiwania często powoduje pogorszenie stanu zdrowia, a nawet śmierć.

Leczenie ran

Naukowcy badają potencjał struktur wydrukowane w technologii biodruku w przeszczepach skóry i przyspieszaniu leczenia ran, także obrażeń wewnętrznych, takich jak uszkodzeń płuc czy kości. W Concord Hospital w Australii od 2025 roku prowadzone są testy kliniczne drukowanej w 3D skóry do przeszczepów dla ofiar poparzeń.

Badania nad nowymi lekami

Biodruk może przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa i etyki procesu opracowywania leków poprzez wyeliminowanie testów na zwierzętach. Syntetycznie wytworzone tkanki ludzkie bliżej odpowiadają reakcjom ciała ludzkiego na leki niż tkanki zwierzęce, co pozwala stworzyć bardziej skuteczne leki i ocenić czy dany pacjent będzie dobrze reagował na eksperymentalne kuracje. Więcej o tym, jak druk 3D zmienia farmację, przeczytasz w artykule o leki drukowane w 3D.

Problemy i wyzwania dla rozwoju biodruku - czy jesteśmy blisko ich rozwiązania?

Pomimo ogromnego potencjału, praktyczne zastosowanie i dalszy rozwój technologii biodruku jest znacznie ograniczony przez problemy związane z odpornością komórek na obciążenia przy drukowaniu, z odtwarzaniem najbardziej skomplikowanych struktur i geometrii w ciele człowieka. Kwestią budzącą obawy jest również żywotność organów wydrukowanych w technologii 3D, ponieważ brakuje wystarczających danych, by ocenić, czy i które materiały stosowane w biodruku okażą się biokompatybilne, trwałe i bezpieczne dla pacjentów w perspektywie długoterminowej.

Odporność komórek na proces drukowanie

Wrażliwość żywych komórek na temperaturę i ciśnienie sprawia, że komórki częściowo obumierają podczas procesu drukowania. Do uszkodzeń komórek może także prowadzić podczas samego opadania komórek z dyszy.

Obciążenia, na które narażone są komórki minimalizuje się na wiele sposobów, m.in:

• stosowanie bardziej odpornych polimerów syntetycznych,
• zastosowanie dyszy w kształcie stożka zamiast prostej rurki,
• drukowanie do specjalnego medium, które amortyzuje opadające komórki,
• badania nad opracowaniem metody druku bez dyszy.

Odtwarzanie sieci naczyniowej

Sieć naczyniowa jest niezbędna do utrzymywania przy życiu wielu tkanek, od skóry po tak skomplikowane narządy jak płuca czy serce. Jednak odtworzenie naczyń w biodruku jest dużym wyzwaniem ze względu na skomplikowaną geometrię sieci naczyniowej i jej hierarchiczną strukturę: połączenie grubszych i cieńszych naczyń. Tętnice mają średnice powyżej 1 mm, żyły: zazwyczaj powyżej 1 mm), a naczynia włosowate: zazwyczaj od 10 do 15 μm). W skład układu wchodzą też tętniczki i żyłki łączące naczynia krwionośne z naczyniami włosowatymi, których średnica wynosi zazwyczaj od 0,3 do 1 mm [3,36].

Aby dokładnie odtworzyć rozmiary naczyń biodruk wymaga urządzeń o niezwykle wysokiej rozdzielczości, mierzonej w mikrometrach. Odtworzenie średnicy to jednak tylko część problemu. Aby móc przekazywać pobliskim tkankom substancje odżywcze i tlen, naczynia muszą mieć bardzo cienkie ściany, a przy tym oczywiście muszą być drożne. To sprawia że naczynia są podatne na zapadanie się i sklejanie podczas druku. Jednocześnie naczynia muszą być wystarczająco odporne aby znieść ciśnienie przepływającej krwi czy limfy.

Naukowcy radzą sobie z zawiłościami drukowania sieci naczyniowej na różne sposoby. Problem drożności i zapadania się naczyń jest niwelowany przez drukowanie naczyń wypełnione specjalnym tuszem pomocniczym, który pod koniec procesy jest wypłukiwany. Aby odtworzyć różne rodzaje naczyń jak najdokładniej, łączy się różne techniki biodruku.

Drukowanie naczyń jest obecnie na wystarczająco wysokim poziomie aby tworzyć modele, które limitują nie tylko wygląd, ale i funkcję żywych narządów poza ciałem. W 2019 roku w Tel-awiwie wydrukowano działający model serca z przedsionkami i naczyniami krwionośnymi, któy nie nadawał się do przeszczepu ze względu na zmniejszoną skalę, ale stanowił ważny przełom w drukowaniu skomplikowanych systemów naczyniowych. Badania nad drukowaniem anatomicznie poprawnego modelu płuc, który ma służyć do nauki dla pulmonologów i chirurgów oraz do opracowywania nowych leków są prowadzone od 2025 roku przez Duke University w USA i przez University of British Columbia.

Wpływ grawitacji na biodruk

Grawitacja jest jedną z największych przeszkód przy biodrukowaniu tkanek. Tkanki drukowane w 3D są bardzo delikatne, co sprawia że pod wpływem środowiska zapadają się w sobie podczas drukowania. Warunki 1g znacznie ograniczają rozmiar i stopień złożoności tkanek drukowanych w 3D.

Jak naukowcy przeciwdziałają negatywnemu wpływowi grawitacji na proces biodruku? Jednym ze sposobów jest stosowanie struktury pomocniczych, które są później usuwane. Nie jest to jednak idealne rozwiązanie.

Od ok. 2017 roku trwają badania nad biodrukiem w kosmosie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej - ISS. Warunki mikrograwitacji pozwalają drukować tkanki bez podpórek, z większą dokładnością.

Biokompatybilność drukowanych tkanek

Obawy dotyczące biokompatybilności znacznie opóźniają wprowadzenie biodruku do powszechnej praktyki medycznej. To złożony problem, który obejmuje przyjmowanie biodrukowanych tkanek przez organizm, wspieranie naturalnego wzrostu komórek ale także możliwe efekty uboczne w dalszej perspektywie.

Największą biokompatybilność mają naturalne polimery, takie jak kolagen, fibryna, żelatyna i alginian. Jednak te związki są mniej odporne na drukowanie i bardziej podatne na uszkodzenia. Aby zaradzić temu problemowi opracowywane są syntetyczne polimery, które są bardziej odporne i łatwo się drukują.

Brakuje jednak danych na temat tego, jak drukowane w 3D tkanki z użyciem syntetycznych polimerów będą zachowywać się w organizmie w perspektywie lat, które pozwoliłyby wyeliminować potencjalne zagrożenia, np. możliwość wydzielania się szkodliwych substancji przy rozkładzie i wymianie komórek.

Podsumowanie - czy biodruk organów to odległa przyszłość?

Trudno dokładnie przewidzieć tempo, w jakim będzie rozwijała się technologia biodruku. Na całym swiecie prowadzone są intensywne badania, a nad głównymi problemami, z którymi boryka się technologia pracuje wiele zespołów jednocześnie. Choć odtwarzanie sieci naczyniowych pozostaje poważnym wyzwaniem, lata 2024 i 2025 przyniósły ważne przełomy, w tym udany przeszczep tchawicy w szpitalu w Seulu, testy kliniczne drukowanej w 3D skóry i wykonanie funkcjonalnych modeli narządów. Warto pamiętać, że modele narządów, które z różnych powodów nie nadają się do przeszczepu do ludzkiego ciała, pomagają naukowcom jeszcze lepiej zrozumieć budowę ludzkiego ciała i ograniczenia technologii w druku 3D, oraz opracować strategię doskonalenia różnych aspektów biodruku. Im więcej sukcesów osiąga biodruk, tym większe dotowania otrzymują laboratoria, możemy się więc spodziewać, że fundusze przeznaczane na badania nad biodrukiem pomogą w szybkim rozwijaniu się tej technologii w najbliższych latach. Biodruk to tylko jeden z kierunków rozwoju tej technologii — o innych przełomowych zastosowaniach druku 3D piszemy w osobnym artykule.

Źródła:

• https://www.cellink.com/blog/bioprinting-explained-simply/
• https://www.cellink.com/blog/3d-printed-organs/
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590183424000127
• https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36522661/
• https://www.health.nsw.gov.au/news/Pages/20250509_00.aspx
• https://www.futuresplatform.com/blog/3d-printed-human-hearts
• https://www.drugtargetreview.com/new-3d-bioprinted-lung-tissue-could-transform-respiratory-research/668943.article
• https://www.bbc.com/news/business-45470799
• https://www.sciencefocus.com/news/breakthrough-3d-printed-organ-windpipe