Medical Informatics III
Bioinks and 3D Bioprinting
Nilgün Bozbuğa, Ferhat Taş, Pınar Yılgör Huri, Mustafa Oral ÖncülBioprinting is the creation of tissue structures similar to micro cellular and macroscopic structural features of human tissue and organs with 3D imaging and 3D modeling processes by 3D printing technique. Bioinks, which are the main components of the 3D bioprinting process, are materials that can be combined with cells, growth factors and bioactive molecules, biomaterials and can be bioprinted during the printing process. There are micro extrusion (syringe) based bioprinters, droplet based bioprinters and laser based bioprinters. Viscosity, hydrophilic, dissolution properties, cytotoxicity, oxygen transport and biocompatibility of bioinks are of great importance. Bioinks are either scaffoldbased or scaffold less. With scaffold-based bioinks, tissue printing is performed by loading encapsulated living cells on to hydrogels, micro carriers or decellularized matrix components to create media in the printing process. Scaffold less bioinks are 3D-bioprinted by mimicking embryonic development with living cells. In the 3D-bioprinting process with bioinks, the mixture is deposited in layers in a fluid state. In the 3D-bioprinting process, first of all, the viability of the cells transformed into neo-tissues must be preserved and sterile printing conditions must be provided for the cell matrix structure. The solidification process (cross linking) of the layers is accomplished by UV light, specific chemicals or heat transmitted through the UV light source. Larger-scale functional tissue production can be made by obtaining cell pellets, tissue spheroids, and tissue strands from the neo-tissues obtained later with certain models. In the post printing process, the cell viability rate, porosity, degradation time of the biomaterial, biocompatibility, printing resolution, surface area and surface properties, morphological structure and durability of the printed material are controlled by computer aided programs. Digital biotechnology product bioinks offer new possibilities in transplantation surgery through 3D-bioprinting, in the design of personalized tissues in severe tissue loss, in cancer research, in drug development with out the need for the use of experimental animals, in pharmacological tests, and in testing drug molecules on standard labeled tissues.
Biyomürekkepler ve Üç Boyutlu Biyobaskı
Nilgün Bozbuğa, Ferhat Taş, Pınar Yılgör Huri, Mustafa Oral ÖncülBiyobaskı (bioprinting), insan doku ve organlarının üç boyutlu (3B) görüntüleme ve 3B modelleme işlemleriyle, mikrosellüler ve makroskopik yapısal özelliklerine benzer doku yapılarının 3B basım tekniğiyle oluşturulmasıdır. 3B biyobaskı işleminin ana bileşenlerinden olan biyomürekkepler (bioink), hücreleri, büyüme faktörleri ve biyoaktif molekülleri, biyomalzemeleri birleştirilebilen ve basım işlemi sırasında biyolojik olarak yazdırılabilen malzemelerdir. Mikroekstrüzyon (şırınga) tabanlı biyoyazıcılar, damlacık tabanlı biyoyazıcılar, mikroektrüzyon biyoyazıcılar ve lazer tabanlı biyoyazıcılar mevcuttur. Biyomürekkeplerin viskozitesi, hidrofilisitesi, çözünme özellikleri, sitotoksisitesi, oksijen transportu, biyouyumluluğu büyük önem taşır. Biyomürekkepler iskele tabanlı veya iskelesiz özelliktedirler. İskele tabanlı biyomürekkeplerle, baskı işleminde ortam oluşturmak üzere enkapsüle edilmiş canlı hücreler hidrojellere, mikro taşıyıcılara veya hücresizleştirilmiş matris bileşenlerine yüklenerek doku basımı yapılır. İskelesiz biyomürekkeplerle ise canlı hücrelerle embriyonik gelişim taklit edilerek 3B biyobaskı yapılır. Biyomürekkeplerle 3B biyobaskı işleminde, karışım akışkan durumda katmanlar halinde birikir. 3B biyobaskı sürecinde önce neo dokulara dönüştürülen hücrelerin canlılığının korunması ve hücre matrisi yapısı için steril baskı koşullarının sağlanması gerekir. Katmanların katılaşma işlemi (çapraz bağlanma) UV ışığı, spesifik kimyasallar veya UV ışık kaynağı aracılığıyla iletilen ısı yoluyla gerçekleştirilir. Elde edilen neo dokulardan daha sonra belirli modellemelerle hücre topakları (cellpellets), doku kürecikleri (tissuespheroids), ve doku iplikçikleri (tissuestrands) elde edilerek daha büyük ölçekli işlevsel doku üretimi yapılabilir. Baskı sonrası (post-printing) süreç, basılan malzemenin hücre canlılık oranı, porozitesi, biyomateryalin degrade olma süresi, biyouyumluluğu, baskı çözünürlüğü, yüzey alanı ve yüzey özelliği, morfolojik yapısı ve dayanıklılığı bilgisayar destekli programlarla denetlenir. Dijital biyoteknoloji ürünü biyomürekkepler, 3B biyobaskı yoluyla transplantasyon cerrahisinde, ağır doku kayıplarında kişiye özel dokuların tasarlanmasında, kanser araştırmalarında, ilaç geliştirmede deney hayvanlarının kullanılmasına gerek kalmaksızın farmasötik testlerin yapılmasında, ilaç moleküllerinin standart etiketlenen dokularda test edilmesinde yeni olanaklar sunmaktadır.