3D tiskalnike je mogoče uporabiti za najrazličnejše namene, saj njihov unikaten pristop k oblikovanju struktur, s sekvenčnim nalaganjem, omogoča izgradnjo struktur, ki bi jih bilo z drugimi pristopi težje ali nemogoče izgraditi.
Znanstveniki pa so to tehnologijo prilagodili tudi za tiskanje živih celičnih struktur, tako imenovani biotisk, ki lahko ustvari različna tkiva vključno z mišicami in kostmi.
Biotisk je razmeroma nova tehnologija, ki je do te stopnje napredovala predvsem z eksperimentiranjem. Znanstveniki pa sedaj poskušajo razvoj pospešiti in optimizirati z uporabo predvidenih računalniških modelov in zakonov fizike. Napredki na tem področju so bili predstavljeni v članku junijskega izvoda Applied Physics Reviews.
Najpogosteje uporabljene tehnologije biotiskanja so ekstruzija, brizganje ter laserski tisk. Vsak tip tiskanja zahteva drugačen pristop, vsi imajo tudi svoje prednosti in slabosti.
»Edini način za prehod z ugibanja in poskušanja na usmerjen in načrtovan pristop je z razumevanjem fizike, ki opisuje obnašanje takšnih struktur,« je povedal eden izmed avtorjev članka, Ashkan Shafiee.
Ekstruzijski tiskalnik za tisk uporablja t. i. bio črnilo, ki ga preko ozke šobe brizga na želeno površino s pomočjo zračnega tlaka. Bio črnilo je lahko skupek živih celic ali suspenzija celic v hidrogelu ali polimeru. Brizgalni tiskalniki delujejo podobno, le da celic ne nanašajo direktno, temveč jih s pomočjo piezokristala ali grelca razpršijo na želeno površino v kapljični obliki. Laserski tiskalniki delujejo na dva načina. Prvi je s pomočjo posebnega traku, na katerem so nanešene celice in reagira na lasersko svetlobo, tako da sprosti majhno količino plina. Laser obstreljuje stran traku, na kateri ni celic, se pa med trakom in plastjo celic na drugi strani ustvari žepek plina, ki celice izstreli na želeno površino. Drugi način uporablja statično deaktivirano bio črnilo v petrijevki. To črnilo vsebuje snov, ki pod vplivom laserske svetlobe sprosti snov, ki aktivira bližnje celice.
Biološki produkti takšnega tiska načeloma še niso uporabni v medicini. Tiskalnik natisne le prvotno konfiguracijo celic, ki se nato delijo in oblikujejo nove strukture. Ta proces je podoben embrionalnemu razvoju, ko se sprva identične celice združujejo in diferencirajo v nove organske strukture.
Tiskanje tkiva poteka v treh fazah. Prva faza je načrtovalna. Tu se izvaja računalniške simulacije in se na podlagi ugotovljenega prilagodi parametre, kot so oblika tiskane strukture, sestava in gostota bio črnila. Z uporabo simulacij, ki upoštevajo zakone fizike, je ta faza lahko zelo optimizirana. Druga faza je sam tisk načrtovane strukture z optimiziranim bio črnilom. Tretja faza pa je najbolj občutljiva faza tiska, ko moramo celicam prepustiti, da same nadaljujejo naše delo in same sestavijo tkivo, kot jim velijo zakoni fizike. Bolj kot jih razumemo, bolj predvidljivi so rezultati samosestavljanja.
Tehnike računalniškega modeliranja deljenja celic so razvili okrog leta 2015, za optimizacijo faze samosestavljanja po tisku, ko se celice množijo in diferencirajo v različna tkiva. V fazi tiskanja so nanešene le podporne celice, ki se v nadaljevanju množijo in samodejno sestavijo končno biološko strukturo, ki jo želimo.
Računalniški model vsebuje enačbe, ki podrobno opisujejo privlačne in odbojne sile med celicami tekom razmnoževanja, saj je tako določeno podvajanje celic, s tem pa končna struktura tkiva. Ta simulacijska metoda se imenuje celična dinamika delcev (CPD). Z uporabo te simulacijske metode so znanstveniki pravilno predvideli vzorec celičnih delitev po tisku.
Vir:
https://www.rdworldonline.com/using-physics-to-print-living-tissue/
