Üç Boyutlu Biyo-Yazım Tekniği

Üç boyutulu (3b) baskı, üç boyutlu bir modelin madde olarak çıktısının alınması olarak tanımlanır. Elde edilen bu maddesel çıktı, iki boyutlu katmanların ardışık olarak üst üste biriktirilmesinden meydana gelir. 3b baskı, kesme ve delme yöntemleri ile malzemenin çıkarılmasına dayanan geleneksel işleme tekniklerinden farklı kabul edilmektedir. 3b yazıcı, bilgisayar kontrollü üç boyutlu maddesel çıktı üreten bir endüstriyel robot türüdür. 3b baskı teknolojisi, endüstriyel tasarım (araba), mühendislik, mimarlık (ev), askeri, medikal sektörü (ortez, protez), biyoteknoloji (insan dokusu özdeşleri), moda (ayakkabı, elbise), gıda (pasta, et) ve diğer birçok alanda kullanılmaktadır . Bu teknolojiyle yazdırma işlemi, erimiş birikimi modelleme (FDM), inkjet malzeme biriktirme, sinterleme (SLS – seçici lazer sinterleme, DLMS – doğrudan lazer metal sinterleme), seçici lazer ergitme (SLM), laminalı nesne imalatı (LOM) gibi temel tekniklerin kullanımı ile gerçekleştirilir

Biyomimikri, hücrelerin doğasının ve işlevselliğinin incelenerek, gerçek biyolojik yapıyla aynı özellikleri taşıyan biyolojik yapıların üretilmesini hedefler. Otonom birleşme, hücrelerin birbirleriyle olan etkileşimleri incelenerek, gerçek biyolojik yapıyla aynı yapısal özelliklerin, hücre lokalizasyonunun ve doku işlevselliğinin sağlanmasını hedefler. Mini doku kavramı, yukarıdaki iki strateji ile iişkili olarak, küçük işlevsel yapı bloklarının birleştirilmesiyle elde edilen doku ya da organları ifade eder. Biyo yazdırma işlemi görüntüleme, tasarım, malzeme, hücre, biyo-baskı ve uygulama olmak üzere altı ana başlıktan oluşmaktadır.

Görüntüleme adımında, tıbbi görüntüleme cihazları kullanılarak biyolojik yapıların, bilgisayar destekli tasarımı ve matematiksel modellenmesinde kullanılacak kompleks mimari bilgileri elde edilir. Görüntüleme cihazları ile elde edilen ham veriler, bilgisayar destekli yazılım paketi kullanılarak 3b dijital (CAD/CAM) çizimlere dönüştürülür. Tasarım adımında, üretilmesi planlanan hedef dokuya uygun tasarım yaklaşımı ya da bu yaklaşımların kombinasyonları belirlenir. Tasarım yaklaşımlarına göre işlenen 3b dijital çizimler biyo-baskı işlemi için hazırlanarak belirli kalınlıklarda iki boyutlu ardışık katmanlara dilimlenir. Malzeme ve Hücre adımlarında, hedef doku şekli ve işlevi için uygun malzeme ve hücre kaynağı seçilir. Malzeme adımında yaygın olarak sentetik ve doğal polimerler ile hücre dışı ortam (ECM) kullanılır. Hücre adımında kullanılan hücre kaynağı allojenik ya da otolog olabilir. Bu bileşenler, mürekkep püskürtmeli, mikroekstrüzyon ya da lazer destekli biyo yazıcılara entegre edilir. Biyo-baskı adımında, seçilen malzeme ve hücre kaynakları, hedef dokuya özgü geliştirilen inkjet, mikroekstrüzyon ve lazer destekli yazdırma teknolojileri ile birlikte kullanılarak canlı yapıların oluşması sağlanır. Uygulama adımında, bazı dokular için transplantasyon öncesi biyoreaktörde olgunlaşma periyodu gerekebilir. Bu dokular, alternatif olarak in-vitro (lab ortamı) uygulamalarda kullanılabilir. Olgunlaşma periyodunu tamamlayan dokular analiz edilerek hedef dokuya uygunluk belirlenir. Temel olarak kullanılan biyo yazdırma teknolojileri; mürekkep püskürtmeli, mikroekstrüzyon ve lazer destekli yazdırma sistemleridir. Mürekkep püskürtmeli yazıcılarda, elektrik ile yazdırma başlığı ısıtılır ve başlıkta damlamayı sağlayan hava basıncı darbeleri üretilir. Sesli yazıcılar, piezoelektrik ya da ultrason basıncından oluşan darbeleri kullanır. Mikroekstrüzyon yazıcılarda, ekstrüzyon için pnömatik ya da mekanik sistemler kullanılır. Lazer destekli yazıcılarda, emici yüzey üzerine odaklı lazer kullanılarak puls oluşturulur. Bu basınçla hücreler alt tarafta bulunan bir toplayıcı yüzeye doğru itilir. Mikroekstrüzyon baskı teknolojisi, en sık kullanılan ve en uygun maliyetli olan yazdırma teknolojisidir. Bu yazdırma teknolojisi genellikle X,Y ve Z eksenleri boyunca 3 boyutta kontrollü hareket edebilen, sıcaklık kontrollü malzeme iletimi ve ekstrüzyonu ile gerçekleşir. Bazı biyo-yazıcılar farklı hücre tipini yazdırmayı sağlayan birden fazla yazdırma başlığına sahiptir. Mikroekstrüzyon teknolojisi kullanan yazıcılar, robot kontrollü materyal ekstrüzyonu gerçekleştirir. Mikroekstrüzyon teknolojisinde ekstrüzyon, pnömatik ya da mekanik (piston ya da mil) sistemler ile gerçekleştirilir. Mekanik sistemler, pnömatik sistemlere göre daha sağlıklı bir ekstrüzyon gerçekleştirir. Bunun sebebi pnömatik sistemlerde bu olayın gaz basıncı, mekanik sistemlerde ise bir piston ya da mil ile gerçekleştirilmesidir. Pnömatik sistemler büyük ve kolay uygulanabilir sistemler iken, mekanik sistemler daha küçük, hassas ve kompleks bir yapıya sahiptir. Mikroekstrüzyon teknolojisi, akışkan özelliklerine sahip, literatürde bilinen pek çok biyo-uyumlu malzeme ile kullanılabilmektedir.