1. Giriş
3 boyutlu biyobaskı alanı, son on yılda muazzam ilerlemeler kaydederek doku mühendisliği, rejeneratif tıp ve hatta organ üretimi alanlarında yeni fırsatlar sunmuştur. Biyolojik malzemelerin hassas bir şekilde katmanlanmasını içeren bir teknik olan 3 boyutlu biyobaskı, doğal dokuların mimarisini ve işlevini taklit eden karmaşık doku yapıları oluşturmayı mümkün kılar. Bununla birlikte, bu teknolojinin başarısı, özellikle canlı hücrelerle yüklü biyomürekkep söz konusu olduğunda, kullanılan malzemelerin ve süreçlerin uyumluluğuna büyük ölçüde bağlıdır. Biyomürekkep sadece biyolojik olarak uyumlu olmakla kalmamalı, aynı zamanda doku büyümesini desteklemek için gerekli mekanik özelliklere sahip olmalı ve yine de basılabilir olmalıdır.
3 boyutlu biyobaskı alanındaki en umut vadeden yaklaşımlardan biri, ışık enerjisinin sıvı biyomürekkebi işlevsel doku yapılarına dönüştürmek için kullanıldığı ışık bazlı biyobaskıdır. Işık bazlı biyobaskı, mekanik kuvvetlere dayanan ekstrüzyon veya inkjet biyobaskı gibi diğer tekniklere kıyasla üstün hız ve hassasiyet sunar. Bununla birlikte, bu süreçlerde ultraviyole (UV) ve mor ışık kaynaklarının kullanımı, UV maruziyetinin hücrelere ve DNA'ya zarar vererek hücre canlılığının azalmasına yol açabileceği için sitouyumluluk açısından zorluklar yaratmaktadır.
Bu sorunun üstesinden gelmek için, yeşil veya kırmızı ışık gibi daha güvenli, görünür ışık kaynaklarıyla aktive edilebilen yeni foto başlatıcıların ve biyomürekkeplerin geliştirilmesi araştırmaların odak noktası haline gelmiştir. Bu makale, biyolojik güvenlik foto başlatıcıları kullanılarak yapılan 3 boyutlu biyobaskıdaki en son gelişmeleri, özellikle hidrojel çapraz bağlanması ve başarılı hücre kapsüllemesi için yeşil-kırmızı ışık kaynaklarının kullanımını vurgulayarak incelemektedir. Ayrıca, bu gelişmelerin doku mühendisliği ve biyobaskı teknolojilerinin geleceği üzerindeki etkilerini de ele alacağız.
2. Işık Tabanlı 3D Biyobaskının Doku Üretimindeki Rolü
3 boyutlu biyobaskı, biyolojik olarak ilgili yapılar oluşturmak için en heyecan verici ve çok yönlü yöntemlerden biri haline geldi. Karmaşık doku geometrilerini yüksek hassasiyetle tasarlama kapasitesi, ilaç testleri, kişiselleştirilmiş tıp ve nakledilebilir organların potansiyel olarak oluşturulması gibi alanlarda onu paha biçilmez bir araç haline getiriyor. Özellikle ışık tabanlı 3 boyutlu biyobaskı, biyomürekkebi ışık kullanarak hızla sertleştirme ve katılaştırma yeteneği sayesinde diğer yöntemlere göre birçok avantaja sahip olup, ayrıntılı yapıların yüksek hızda üretilmesini sağlıyor.
Işık bazlı biyobaskıda, hücreler ve biyomalzemeler içeren fotokürlenebilir biyomürekkep, kontrollü dozlarda ışığa maruz bırakılır; bu da biyomürekkep içinde çapraz bağlama reaksiyonlarını tetikler. Bu, canlı hücreleri biyolojik olarak uyumlu bir matris içinde kapsülleyebilen kararlı, 3 boyutlu hidrojel yapıların oluşmasına yol açar. Bu bağlamda en yaygın kullanılan malzemelerden biri, hidrojel oluşturmak için fotokrosbağlanabilen doğal jelatinin bir türevi olan jelatin metakrilattır (GelMA).
Işık tabanlı 3 boyutlu biyobaskı, üstün baskı çözünürlüğü ve gelişmiş uzamsal kontrol gibi benzersiz avantajlar sunarken, UV ve mor ışığın sitotoksik etkisi önemli bir zorluk teşkil etmektedir. UV ışığına maruz kalmanın hücrelerde DNA hasarına ve apoptoza neden olduğu ve bu durumun basılan doku yapılarının canlılığını zayıflattığı gösterilmiştir. Bu nedenle, hücresel hasarı en aza indirirken aynı hassasiyet seviyesini sunabilen görünür ışıkla çalışan biyobaskı sistemleri geliştirmeye yönelik artan bir ilgi vardır.
3. UV-Mor Işık Tabanlı Biyobaskıda Karşılaşılan Zorluklar
UV ve mor ışık, fotoreaktif biyomürekkeplerin hızlı ve verimli çapraz bağlanmasına olanak sağladığı için geleneksel olarak ışık bazlı 3D biyobaskıda kullanılmaktadır. TPO-L, lityum fenil(2,4,6-trimetilbenzoil)fosfinat (LAP) ve Irgacure 2959 gibi foto başlatıcılar, serbest radikal polimerizasyonunu tetiklemek için genellikle UV ışığıyla birlikte kullanılır ve bu da hidrojellerin hızlı oluşumuna yol açar. UV ışığının sağladığı hızlı kürleme süreleri, özellikle damar yapıları oluşturulması gibi yüksek hassasiyet ve karmaşık geometriler gerektiren uygulamalarda avantajlıdır.
Ancak, bu avantajlara rağmen, UV ışığının kullanımı önemli dezavantajları da beraberinde getirir. UV ışığının canlı hücreler için zararlı olduğu, oksidatif strese, DNA hasarına ve hücre canlılığını tehlikeye atabilecek diğer zararlı etkilere neden olduğu bilinmektedir. Sonuç olarak, UV ışığıyla kürlenen biyomürekkep ile basılan dokular, özellikle rejeneratif tedavi veya doku nakli gibi uzun vadeli uygulamalar bağlamında, işlevsellik ve yapısal bütünlük açısından azalma gösterebilir.
UV ışığının sitotoksik etkilerini azaltmak için araştırmacılar, biyomürekkeplerin fotokürlenmesi için alternatif yöntemler araştırmışlardır. Umut vadeden bir yaklaşım, biyobaskıda kullanılan ışığın dalga boyunu, hücreler için daha az zararlı olan görünür ışık (400–780 nm) ve yakın kızılötesi (NIR) ışığı (λ ≥ 780 nm) içerecek şekilde genişletmeyi içerir. Bu daha nazik ışık kaynaklarını kullanarak, hücresel hasarı azaltarak fotokürleme elde etmek ve böylece basılan dokuların genel canlılığını ve işlevselliğini iyileştirmek mümkündür.
4. Hücre Uyumluluğu için Görünür Işık Fotopolimerizasyonu
Biyobaskı için UV'den görünür ışığa geçiş, özellikle görünür ışıkla uyumlu yeni foto başlatıcıların geliştirilmesi açısından çeşitli zorluklar sunmaktadır. Irgacure 2959 gibi geleneksel foto başlatıcılar UV dalga boyları için optimize edilmiştir ve görünür ışık altında etkili değildir. Bu sorunu çözmek için araştırmacılar, fotosensitize edici bir boya ve bir yardımcı başlatıcı molekülü içeren Tip II reaksiyon mekanizması yoluyla çalışan çok bileşenli fotosistemler geliştirmişlerdir. Bu sistemler, boya ve yardımcı başlatıcı arasında fotoindüklenmiş elektron transferi (PET) süreçlerini mümkün kılarak görünür ışık altında hızlı fotokürlemeyi kolaylaştırır.
Görünür ışık foto başlatıcılarının geliştirilmesindeki son gelişmeler, daha iyi sitouyumluluk ile biyobaskı için yeni olanaklar açmıştır. Örneğin, Lynn ve arkadaşları, dijital ışık işleme (DLP) biyobaskısı için yakın kızılötesi bir duyarlılaştırıcı (H-Nu 815) kullanarak, minimum hücresel hasarla yüksek çözünürlüklü yapılar elde etmeyi başarmıştır. Benzer şekilde, yukarı dönüşümlü parçacıklar, geleneksel UV tabanlı sistemlere başka bir alternatif sunarak, yakın kızılötesi ışıkla fotokürlemeyi mümkün kılmak için kullanılmıştır.
Bu ilerlemelere rağmen, görünür ışıkla çalışan foto başlatıcıların geliştirilmesi nispeten yeni bir alan olmaya devam etmekte ve mevcut seçeneklerin çoğu optimal olmayan sitouyumluluk sergilemektedir. Dahası, görünür ışıkla aktive olan başlatıcıların çeşitliliği hala sınırlı olup, UV tabanlı sistemlerle aynı performans seviyesine ulaşmayı zorlaştırmaktadır. Sonuç olarak, yüksek düzeyde hücre canlılığını korurken görünür ışık altında çalışabilen yeni foto başlatıcıların geliştirilmesine acil bir ihtiyaç vardır.
5. Yeşil-Kırmızı LED Çapraz Bağlama için Yeni Foto başlatıcılar
Mevcut foto başlatıcıların sınırlamalarını gidermek amacıyla araştırmacılar, yeşil-kırmızı LED ışık kaynaklarıyla aktive edilebilen yeni foto başlatıcıların tasarımına odaklanmıştır. Görünür spektrumda yer alan yeşil ve kırmızı ışık, UV veya mor ışığa göre hücrelere daha az zararlı olma avantajı sunarak, canlı hücre kapsülleme uygulamaları için idealdir.
Bu çalışmada, dört siyanin boyası bazlı foto başlatıcı (CZBIN, TDPABIN, Col-SH-CZ ve Col-SH-TD) sentezlendi ve yeşil-kırmızı LED fotokürleme potansiyelleri değerlendirildi. Bu başlatıcılar, 400-600 nm aralığında güçlü absorpsiyona sahip olacak şekilde tasarlandı ve bu da onları yeşil ve kırmızı ışık kaynaklarıyla kullanım için uygun hale getirdi. İki kolajen bazlı makromolekül boya olan Col-SH-CZ ve Col-SH-TD, mükemmel sitouyumluluk göstererek, özellikle hücre yüklü biyomürekkep için uygun hale geldi.
Bu yeni foto başlatıcılar, GelMA hidrojellerine dahil edildiklerinde, yeşil ve kırmızı ışık altında verimli çapraz bağlanmayı kolaylaştırdılar. Daha da önemlisi, çapraz bağlanma sürecinin hücre canlılığı üzerinde minimum etkiye sahip olduğu gösterildi; hidrojellere hapsedilmiş L929 hücreleri, yeşil ışığa maruz kaldıktan sonra %90'lık bir canlılık oranına ulaştı. Bu, UV ışığının sitotoksik etkileri nedeniyle genellikle daha düşük hücre canlılığına yol açan geleneksel UV tabanlı sistemlere göre önemli bir gelişmedir.
Bu yeni foto başlatıcıların yeşil ve kırmızı ışık altında hücre kapsüllemesini mümkün kılmadaki başarısı, bunların geniş bir biyobaskı uygulaması yelpazesinde kullanım potansiyelini vurgulamaktadır. Sadece gelişmiş sitouyumluluk sunmakla kalmaz, aynı zamanda ışık kaynaklarının seçiminde daha fazla esneklik sağlayarak 3D biyobaskı araç setine değerli bir katkı sağlarlar.
6. Uygulamalar ve Gelecek Yönelimler
Yeşil-kırmızı LED çapraz bağlama için biyolojik güvenlikli foto başlatıcıların geliştirilmesi, 3D biyobaskının geleceği için heyecan verici olanaklar sunmaktadır. UV ışığıyla ilişkili sitotoksisiteyi azaltarak, bu yeni foto başlatıcılar, ilaç testlerinden kişiselleştirilmiş doku greftlerine kadar çeşitli uygulamalarda kullanılabilen daha işlevsel, biyolojik olarak uyumlu doku yapılarının üretilmesini mümkün kılmaktadır.
Bu teknolojilerin en umut vadeden uygulamalarından biri, biyobaskı yöntemiyle üretilen dokuların hasarlı organları onarmak veya değiştirmek için kullanılabileceği rejeneratif tıp alanıdır. Bu bağlamda, yüksek hücre canlılığına sahip dokuların basılabilmesi kritik öneme sahiptir, çünkü greftin uzun vadeli başarısı, basılan doku içindeki hücrelerin sağlığına ve işlevselliğine bağlıdır. Görünür ışık foto başlatıcılarının kullanımı, daha karmaşık biyomalzemelerin biyomürekkep içine dahil edilmesini kolaylaştırarak, basılan dokuların işlevselliğini daha da artırabilir.
İleriye baktığımızda, 3D biyobaskı için mevcut görünür ışık foto başlatıcılarının yelpazesini genişletme potansiyeli bulunmaktadır. Araştırmacılar, kurkuminoidler ve flavonoidler gibi doğal ürünlerin görünür ışık bazlı biyobaskı için foto başlatıcı olarak kullanımını zaten araştırıyorlar. Doğal kaynaklardan elde edilen bu bileşikler, biyolojik uyumluluk ve mavi-yeşil aralıkta güçlü ışık emici özelliklere sahip olma gibi iki yönlü fayda sunmaktadır. Örneğin, kurkuminoidlerin mavi-yeşil LED ışığı altında serbest radikal polimerizasyonunu kolaylaştırdığı gösterilmiştir; bu da onları gelecekteki biyomürekkep için umut vadeden adaylar haline getirmektedir.
Dahası, doğal veya sentetik boyaların birincil ışık emici olarak görev yaptığı boya duyarlılaştırılmış foto başlatma sistemlerindeki gelişmeler, kullanılabilir dalga boyu aralığını daha da genişletebilir. Fotoindüklenmiş elektron transferi (PET) mekanizmalarına dayalı olarak çalışan bu sistemler, ışık kaynaklarının seçiminde esneklik sunar ve biyobaskı için uzak kırmızı veya yakın kızılötesi ışığın kullanımını mümkün kılabilir. Bu, özellikle daha derin doku penetrasyonu gerektiren uygulamalar için avantajlı olacaktır, çünkü daha uzun dalga boylu ışık, biyolojik dokular tarafından saçılmaya ve emilmeye daha az eğilimlidir.
Gelecekteki araştırmalar için umut vadeden bir diğer alan ise, görünür ışık foto başlatıcılarını termal veya kimyasal çapraz bağlama gibi diğer polimerizasyon teknikleriyle birleştiren hibrit foto başlatma sistemlerinin geliştirilmesidir. Birden fazla çapraz bağlama mekanizmasını tek bir biyomürekkebe entegre ederek, basılı dokuların mekanik özellikleri ve biyolojik uyumluluğu üzerinde daha da büyük bir kontrol sağlamak mümkün olabilir. Bu hibrit sistemler ayrıca, tek bir doku yapısı içinde mikro ve makro yapıların eş zamanlı olarak üretilmesine olanak tanıyarak, çoklu ölçeklerde biyobaskı yapılmasını da sağlayabilir.
7. Sonuç
3 boyutlu biyobaskı, rejeneratif tıp, kişiselleştirilmiş sağlık hizmetleri ve ilaç testleri gibi alanları dönüştürme potansiyeline sahip, doku mühendisliğinde devrim niteliğinde bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Bununla birlikte, biyobaskı teknolojilerinin başarısı, hem biyouyumlu hem de kararlı, fonksiyonel doku yapıları oluşturmada etkili olan biyomürekkep ve foto başlatıcıların geliştirilmesine büyük ölçüde bağlıdır. Özellikle ışık bazlı 3 boyutlu biyobaskı, hassasiyet ve hız açısından önemli avantajlar sunmaktadır, ancak UV ve mor ışığa bağımlılık, sitouyumluluk açısından ciddi zorluklar yaratmaktadır.
Bu çalışmada ele alınanlar gibi yeşil-kırmızı ışık foto başlatıcılarının kullanımı, bu zorlukların üstesinden gelmede çok önemli bir adım teşkil etmektedir. Görünür spektrumda absorbe etmek üzere tasarlanan bu yeni foto başlatıcılar, canlı hücrelerin varlığında hidrojellerin güvenli ve verimli bir şekilde çapraz bağlanmasını sağlamaktadır. Yüksek sitouyumlulukları ve yeşil ve kırmızı LED ışığı altında gösterdikleri güçlü performans, doku iskelelerinden organoidlere kadar geniş bir yelpazedeki biyobaskı uygulamaları için heyecan verici olanaklar sunmaktadır.
Bu alandaki gelecekteki araştırmalar, doğal ürünlerden türetilen bileşikler ve birden fazla çapraz bağlama mekanizmasını birleştiren hibrit sistemler de dahil olmak üzere yeni foto başlatıcı sınıflarını keşfetmeye devam etmelidir. Kullanılabilir dalga boyu aralığını genişleterek ve biyomürekkebin işlevselliğini artırarak, bu yenilikler 3D biyobaskı alanını önemli ölçüde ilerletebilir ve bizi tamamen işlevsel, biyobaskı ile üretilmiş doku ve organların gerçekleştirilmesine daha da yaklaştırabilir.
Özetle, 3D biyobaskıda yeşil-kırmızı ışık çapraz bağlama için biyolojik güvenlik foto başlatıcılarının geliştirilmesi, doku mühendisliği için çığır açıcı bir gelişmedir. Yüksek hücre canlılığını korurken, karmaşık doku yapılarının hassas, ışık bazlı üretimini mümkün kılma gibi iki yönlü avantaj sunmaktadır. Araştırmalar ilerledikçe ve yeni malzemeler tanıtıldıkça, 3D biyobaskının geleceği giderek daha parlak görünmekte ve tıpta devrim yaratma ve doku onarımı ve rejenerasyonu için benzeri görülmemiş olanaklar yaratma potansiyeline sahiptir.
