Gelatiinimetakrylaatin 3D-tulostus kudostekniikan apuna
Viime vuosina 3D-tulostus on avannut aivan uusia ovia kudostekniikan saralla. Elämme ajassa, jossa kehon omien varaosien tulostaminen ei ole vain kaukaista tieteisfantasiaa. Suurista lupauksista ja lupaavista tuloksista huolimatta varsinaista läpimurtoa ei ole vielä onnistuttu saavuttamaan, vaan tällä hetkellä tämän saavuttamiseksi kilpailee monta eri materiaalia sekä tekniikkaa. Yksi näistä on gelatiinimetakrylaatin 3D-tulostus.
GelMA pähkinänkuoressa
Gelatiinimetakrylaatti (GelMA) on puolisynteettinen hydrogeeli, joka koostuu gelatiinista johdetusta metakryyliamidi- ja metakrylaattiryhmistä. Näistä muodostunutta hydrogeeliä voidaan käyttää tarjoamaan soluille optimaalinen biologinen ympäristö. GelMA on valokovettuva ja fysikaalis-kemiallisesti muokattava hydrogeeli, jolla on hyvä bioyhteensopivuus. Hydrogeelinä GelMA:a voidaan tulostaa halutun objektin muotoon ja sopivalla fotoinitiaattorilla se voidaan kovettaa UV-valolla, jolloin sen rakenteesta saadaan myös fysiologisesti kestävä. Tutkijat ovat saaneet lupaavia tuloksia filamentin muodostuksessa ja tulostettavuudesta, minkä vuoksi GelMA nähdään loistavana ehdokkaana monimutkaisten kudosrakenteiden 3D-tulostuksessa. GelMA on kuitenkin hydrogeelinä hyvin lämpötilaherkkä, minkä myötä tämän tulostaminen onkin haasteellista (Janmaleki, et al., 2020.) GelMA soveltuukin esimerkiksi luu-, sydän- ja epidermaalisen kudoksen jäljittelemiseen.
GelMA uusiutuvan luukudoksen apuna
Materiaalina GelMA:a pidetään sopivana myös uusiutuvan luukudoksen tulostamiseen. Luukudos on erittäin monimutkaista materiaalia, joten yksinkertainen hydrogeeli ilman lisäyksiä ei täytä uusiutuvan luukudoksen vaatimuksia. Luukudoksen rakenne vaihtelee makromittakaavasta nanomittakaavaan ja se pitää sisällään useita erilaisia soluja, kuten osteosyyttejä, osteoblasteja sekä osteoklasteja. Vaaditaankin erityinen dynaaminen mikroympäristö, joka koostuu kollageenista, epäorgaanisista nanopartikkeleista ja kasvutekijöistä, jotta solujen käyttäytymistä voitaisiin säädellä luonnollisesti. Kaiken tämän huomioon ottaen ja bioyhteensopivuuden saavuttamiseksi gelatiinin tukirakenteilla tuleekin olla sopiva biomekaaninen rakenne ja fysiologiset ominaisuudet. Jotta voitaisiin jäljitellä luonnollista luukudosta, hydrogeeliin voidaan lisätä erilaisia epäorgaanisia aineita parantamaan GelMA:n tukirakenteiden suorituskykyä luun uusiutumisessa. Esimerkiksi pieni määrä modifioituja magneettisia rautaoksidin (Fe3O4) nanopartikkeleita voidaan lisätä GelMA:n joukkoon sen mekaanisen jäykkyyden ja yleisen kestävyyden lisäämiseksi. (Dong ym., 2019.)
GelMA:sta hengenpelastajaksi?
Sydänkudoksessa GelMA:a voidaan käyttää kasvualustana uusille soluille vaurioituneessa sydänkudoksessa. GelMA:a voidaan pitää myös lupaavana materiaalina kantasolututkimuksessa, jonka avulla GelMA:a voidaan käyttää parantamaan sydänkohtauksen seurauksena kuollutta sydänkudosta. GelMA:lla on sama sähkönjohtavuus kuin luonnollisella sydänkudoksella, mikä on erittäin tärkeää, koska sydänkudoksen supistukset riippuvat sinussolmukkeesta lähtevistä sähköpulsseista. (Zhu, et al., 2021.) GelMA:lla on myös tarvittavat fysikaaliset ominaisuudet, jotta sitä voidaan käyttää toiminnallisen sydänkudoksen tukirakenteina. Kun GelMA sekoitetaan pelkistettyyn grafeenioksidiin (rGO), kykenee se selviytymään ympäröivän supistuvan sydänkudoksen aiheuttamasta fysikaalisestä stressistä. (Shin ym., 2016.)
Mahdollisuudet epidermaalisen kudoksen parantamisessa
GelMA:a voidaan käyttää myös epidermaalisen kudoksen, kuten ihon jäljittelemiseen. GelMA:n avulla tuotettua kudosta voidaan käyttää haavojen parantamiseen lisäämällä sen rakenteeseen keratinosyyttejä. Tämä luo korvaavan rakenteen luonnolliselle epidermaaliselle kudokselle. Nämä GelMA:n rakenteet voivat tukea keratinosyyttikerrosten kasvua, erikoistumista ja pinoutumista, mitkä vastineeksi luovat monitoimisen epidermaalisen kudoksen (Yue, et al., 2015). Kuten sydänkudos, myös epidermaalinen kudos on jatkuvassa rasituksessa venymisen ja ulkoisen kulumisen vuoksi. Täten GelMA:a voidaan pitää loistavana ehdokkaana nopeuttamaan haavan ympärillä olevan epidermaalisen kudoksen luonnollista kasvua. (Zhao ym., 2015)
GelMA:n täysi hyödyntäminen vaatii vielä tekniikan kehitystä
Todellisuudessa GelMA:n tulostaminen ei ole aivan yhtä helppoa ja yksinkertaista. GelMA on materiaalina herkkä lämpötilan muutoksille. Liian korkeissa lämpötiloissa GelMA ei pysy geelimäisenä, vaan tulee tulostettaessa nesteenä ulos. Toisaalta taas liian alhainen lämpötila tekee GelMA:sta liian jähmeää, jolloin se ei joko tulostu ollenkaan tai sen rakenne rikkoutuu. Ongelmana on myös, että GelMA:n reologiset ominaisuudet ovat jatkuvassa muutoksessa sen ollessa geelimäistä. GelMA:n tulostus vaatii siten jatkuvaa lämpötilan ja paineen seurantaa, minkä seurauksena GelMA:n tulostus vaatikin erityisen paljon käytössä olevalta 3D-tulostimelta. Näin voidaankin todeta, että materiaalina GelMA:lla on kaikki edellytykset tulevaisuuden kudostekniikan saralla, mutta laitteiden täytyy vielä kehittyä, ennen kuin meidän on mahdollista tulostaa omat varaosamme GelMA:n avulla.
Lähteet
Joona M. (2022). Theseus – Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö
https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/773872/Molsa_Joona.pdf?sequence=2&isAllowed=y
Dong, Z.;Yuan, Q.;Huang, K.;Xu, W.;Liu, G.;& Gu, Z. (5. 6 2019.). Royal society of chemistry.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ra/c9ra02695a
Janmaleki, M.;Liu, J.;Kamkar, M.;Azarmanesh, M.;Sundararaj, U.;& Nezhad, A. S. (11. 12 2020.). Biomedical Materials.
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-605X/abbcc9
Shin, S.;Zihlmann, C.;Akbari, M.;Assawes, P.;Manoharan, V.;Dokmeci, R.;. . . Nikkhah , M. (2. 6 2016.).
Yue, K.;Santiago, G.-d.;Alvarez, M. M.;Tamayol, A.; Annabi, N.;& Khademhosseini, A. (28. 8 2015.). Biomaterials.
https://tissueeng.net/lab/papers/1-s2.0-S014296121500719X-main.pdf
Zhao, X.;Lang, Q.;Yildirimer, L.;Yuan, Z.;Cui, W.;Annabi, N.;. . . Khademhosseini, A. (16. 4 2015.).
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4608855/
Zhu, S.;Yu, C.;Liu, N.;Zhao, M.;Chen, Z.;Liu, J.;. . . Zhu, P. (7. 11 2021.). Bioactive materials.