3D Baskı İnsan Organları – Ne Kadar Gerçekçi?

3D baskı dünyası oldukça hızlı bir şekilde genişliyor. Tahminler, 3D baskının küresel pazar büyüklüğü—ürünler ve hizmetler—2020 ile 2026 arasında üç katına çıkacağını gösteriyor. 2020’de 12,6 milyar ABD doları değerinde olan pazar, 2026’da 37 milyar ABD dolarının üzerine çıkabilir.

Uygulama pazarındaki patlama, yeniliğin gerçekleştiği alan—hem kurumlar hem de işletmeler—tarafından güçlü bir şekilde destekleniyor. Örneğin, büyük ABD teknoloji şirketleri 3D baskı konusunda oldukça aktif; 2010’dan bu yana yayınladıkları patent sayısı bunun bir göstergesi. General Electrics, 2010 ile 2019 arasında 342 patent yayınladı.

Ancak, 3D baskı alanı her zaman gerçek hayatta uygulanabilirlik sorusuyla karşı karşıya kalmıştır. Bilimsel olarak heyecan verici ve çekici bir alan olmasına rağmen, birçok kişi “Ne kadar gerçekçi?” sorusunu sormuştur.

Yakın zamanda, Virginia Üniversitesi Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndan bir araştırma ekibi, talep üzerine insan uyumlu organların ilk yapı taşları için bir şablon geliştirdiğinde, bunun ne kadar gerçek olabileceğini gösteren başarılı bir deney yaptı. İlerleyen bölümde, deneyi ve elde edilen sonuçları daha ayrıntılı inceleyeceğiz. 

Çeşitli İnsan Dokusuna Uyan Kontrollü Mekanik Özelliklere Sahip Biyomalzemeler 

Deney, Liheng Cai ve Jinchang Zhu tarafından yönetildi. Liheng Cai, malzeme bilimi ve mühendisliği ile kimya mühendisliği alanında yardımcı doçent, Jinchang Zhu ise onun doktora öğrencisidir.

Takip ettikleri biyoyazdırma yöntemi “Dijital Küresel Parçacık Montajı (DASP)” olarak adlandırılıyor. Bu teknik, biyomalzeme parçacıklarını su bazlı bir destek matrisi içine yerleştirerek hücrelerin büyümesi için elverişli bir ortam sunan 3D yapılar oluşturur.

Bulgularını Nature Communications dergisinde yayınlarken, bilim insanları raporu ‘Modüler çift-ağ biyomürekkep damlacıklarının voxel bazlı biyoyazdırması’ olarak adlandırdı. Voxel terimi, baskı sürecinin ‘voxel’—3B piksellerin 3B versiyonu—nasıl 3B nesneler oluşturuyorsa o şekilde ilerlediğini ifade eder. 

Araştırmalarının bilim camiasına sağladığı atılımı açıklarken, Jinchang Zhu şu sözleri söyledi:

“Yeni hidrojel parçacıklarımız, şimdiye kadar yaptığımız ilk işlevsel voxel. Mekanik özellikler üzerinde hassas kontrol sayesinde bu voxel, gelecekteki baskı yapı taşlarımızdan biri olabilir.”

Kullanıcılar için daha spesifik olmak amacıyla, Zhu tekniklerinin diğer biyoyazdırma yöntemlerine göre öne çıkan niteliklerini vurguladı. Teknolojilerindeki ‘Kontrol’ unsurunun, organoidlerin yazdırılmasını mümkün kıldığını belirtti.

Bu organoidler, insan dokularına işlevsel bir şekilde hizmet edebilen 3B hücre bazlı modellerdi. Hastalık ilerlemesini incelemek ve tedavi arayışlarımızı geliştirmek için kullanılabilir. 

Mevcut Biyoyazdırma Teknolojilerine Göre Büyük Bir Sıçrama

Zhu, yeniliklerini ‘büyük bir sıçrama’ olarak nitelendirdi; çünkü bu teknoloji ‘sağlam ve hücre dostu’ idi. Deneyde kullanılan polimer hidrojel parçacıkları, tek molekül monomerlerin düzenlenmesi ve kimyasal bağlarının ayarlanmasıyla insan dokularını taklit edebiliyor; bu monomerler zincirler oluşturarak ağlar meydana getiriyor.

Diğer benzer çözümlerle karşılaştırıldığında, Cai ve Zhu’nun sunduğu çözüm daha az toksik ve daha biyouyumlu çıktı. 

Ekip ayrıca biyoyazıcı kullanımında önemli iyileşmeler sağladı. Tasarladıkları çok kanallı nozül, hidrojel bileşenlerini talep üzerine karıştırabiliyor. Bu, süper hızlı çapraz bağlanmadan kaynaklanan sorunu çözdü; bu süreç sıvı damlacıkları 60 saniye içinde elastik, su şişmiş bir jel haline getiriyordu.

DASP tekniği, dar ve hızlı hareket eden bir nozülden büyük damlacıkları matrise yerleştirerek hemen süspansiyon hâline getiriyor ve bu darboğazı ortadan kaldırıyor. Böylece yumuşak madde bilimi ve 3D biyoyazdırma alanındaki temel bir sorunu—viskoelastik voxel’ların hassas manipülasyonunu—çözmüş oluyor. Başarının özetini yaparken, Cai şunları söyledi:

“Voxel bazlı biyoyazdırma için temeli şimdi attık. Tam olarak gerçekleştiğinde, DASP’ın uygulamaları yapay organ nakli, hastalık ve doku modellemesi ve yeni ilaç adaylarının taranmasını içerecek. Ve muhtemelen burada durmayacak.”

Daha önce de gördüğümüz gibi, 3D biyoyazdırma etrafındaki yenilikler uzun süredir devam ediyor. Bu nedenle, birçok köklü şirketin bu teknolojiyi benimsediği oldukça açık. Aşağıdaki bölümlerde, tıp bilimi ve sağlık teknolojisi alanında bu alana öncülük eden iki şirketi inceleyeceğiz. 

#1. Northwell Health

Şirket, ‘kendi tedavinizi 3D baskı ile sunan ilk sağlık sistemi olmaya %100 adanmış’ olduğunu iddia ediyor. Northwell Health’ın bu alandaki en kritik müdahalelerinden biri protezlerde olmuştur. 

Şirket 3D‑baskı ile bir amfibik protez uzvu üretti. Çözüm, amputenin suya girip çıkmasını protez değiştirmeden sağlayan bir Fin’dir.

Fin’in avantajları, son teknoloji karbon fiber malzemelerinin kullanılmasını ve ergonomik bir şeklin dayanıklı ve verimli hareketi sağlamasını içerir. Northwell, güç ve esnekliği bir arada sunan karbon fiber takviyeli naylonla fin’i yazdırdı. Ayrıca, dayanıklılığı sayesinde hem kara hem de su ortamında kullanılabilir. 

Fin, benzersiz malzeme dinamiklerine sahipti. Su akışını kontrol edebilen konik şekilli deliklere sahipti. Deliklerin tasarımı ve düzeni, su içinde doğal sürüklenme ve itişi sağladı. Delik sayısı, amputenin özel ihtiyaçlarına göre ayarlanabiliyordu. 

Northwell Health, cerrahların operasyonları daha iyi planlamalarına yardımcı olmak için vücut parçalarının detaylı 3D‑baskılı modellerini uzun süredir geliştirmekte öncü olmuştur. Şirket, 3D baskının potansiyelini trend hâline gelmeden önce fark etmişti.

2018 tarihli bir açıklamada, Northwell Health’taki 3D Tasarım ve Yenilik Merkezi direktörü Todd Goldstein şunları söylemişti:
following to say:

“Tıpta 3D baskının kullanılması, hastaların anatomisini bir bilgisayar ekranından alıp doktorun ellerine koymamızı sağlıyor. Bu teknoloji, tüm taraflar için bir oyun değiştirici; doktorların patolojiyi daha iyi görselleştirmesine, hastaların gerekli tedaviyi gerçekten görmesine ve neredeyse tüm uzmanlık dallarında daha hassas, hastaya özel tedavilerin uygulanmasına olanak tanıyor.”

2023 yılında Northwell Health kayıt etti16,9 milyar ABD doları gelir ve %6,3 EBITDA marjı.

#2. Psyonic

Bu alanda dikkat çekici çalışmalar yapan bir diğer şirket ise Psyonic. Ability Hand, Psyonic’in amiral gemisi ürünü, dünyanın en hızlı ve ilk dokunma algılayıcı biyonik elidir. Hayata ve hareketliliğe yeniden kavuşmayı vaat eden bu el, 3D baskı sayesinde prototip üretimini verimli hâle getiriyor, maliyeti düşürüyor ve erişilebilirliği artırıyor; ayrıca dayanıklılık ve darbe direncini de yükseltiyor. 

Psyonic, biyonik elin parmak uçlarına basınç algılayan sensörler ekleyerek, kullanıcının bir nesneyi kavradığında baskıyı algılamasını ve koluna titreşimle bu hissi iletmesini sağladı. 

Böylece el kullanıcıları, en hassas nesneleri bile rahat, konforlu ve sorunsuz bir şekilde hissederek çalışabilir. Dayanıklılığı, darbe etkilerine kırılmadan dayanabilmesini sağlar. Ayrıca su geçirmezdir ve gün boyunca kullanılabilecek çeşitli tutuş kalıpları sunar.

Ability Hand toplamda 32 tutuş kalıbı sunar; bunların 19’u önceden tanımlanmış ve kullanılabilir durumdadır. Ağırlığı 490 gramdır. Çok eklemli bir yapıya sahiptir; beş parmak da bükülüp uzatılabilir ve başparmak elektriksel ve manuel olarak dönebilir. 

Bir saat içinde USB‑C ile şarj edilebilir. Çoğu üçüncü‑taraf EMG desen tanıma sistemi, EMG doğrudan kontrol sistemi, lineer transdüser ve kuvvet‑duyarlı dirençlerle çapraz uyumludur. 

En son mevcut finansman bilgilerinin gösterdiği üzere, Psyonic’in kitle fonlamalı öz sermaye kampanyası bugüne kadar 1 milyon doların üzerinde bir tutar topladı.

Bu 3D‑baskılı insan vücut parçalarına dair örnekler, 3D baskı ile insan organları üretmenin artık uzak bir hayal olmadığını gösteriyor. Daha önce en önemli atılımlardan birini ele almıştık; şimdi geleceğin geniş potansiyelini anlamak için daha fazla ilgili araştırmayı inceleyeceğiz.

İşlevsel beyin dokusu 3D baskı imkanı sunan yeni teknik hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

3D Baskının Geleceği: Gerçeğe Ne Kadar Yakın Olabilir 

Hidrojelin 3D‑baskılı organ üretiminde verimsiz kullanımı geçmişte de görülmüştür. 2022 araştırma raporu, Bayreuth Üniversitesi’nden Prof. Thomas Scheibel liderliğindeki bir ekip tarafından örümcek ipeği ile fare fibroblast hücrelerinin karıştırılmasıyla “bio‑ink” ya da hidrojel üretilerek 3D baskı ile başarılı bir şekilde üretildiğini belirtiyor.

Jeller, yazıcı kafasından ekstrüzyon yüzeyine akarken sıvıdan katı hâle hızla dönüşebiliyordu. Bu bilgi, örümcek ipeği iskeleleri ve kardiyomiyositler kullanılarak kalp kası dokusunun yeniden oluşturulmasında kullanılabildi.

2023 raporu, 3D baskı ile insan organlarının yeniden üretilmesinin ‘yakında gerçek olacak’ bir gerçeklik olduğunu kapsamlı bir şekilde araştırdı. Gelecekteki tüm olası uygulamalara dair umut vaat eden birçok örnek sundu.

Örneğin, 2022’de Teksas, San Antonio’da Dr. Arturo Bonilla, 20 yaşındaki bir kadına dış kulak implantasyonu yaptı; kadın doğuştan kulak olmadan doğmuştu ve sol kulağının tam boyut ve şeklinde bir sağ kulak 3D biyoyazıcı ile kadının kendi kıkırdak hücrelerinden üretilerek takıldı.

Polonya merkezli araştırmacılar da kan akışı stabil bir pankreas prototipi basabildi. Deney domuzlar üzerinde iki hafta boyunca izlendi. Aynı zamanda insan akciğerleri için tekniklerin uyarlanması da sürüyor. Bionic Pancreas’ın yaratıcısı Michal Wszola ve United Therapeutics Corporation, 4.000 kilometre kapiller ve 200 milyon alveol (küçük hava keseleri) içeren bir insan akciğer iskeleti 3D baskı ile hayvan modellerinde oksijen değişimini sağlayacak şekilde üretti.

Wake Forest Regeneratif Tıp Enstitüsü bilim insanları, mobil bir deri biyoyazdırma sistemi geliştirdi. Yakında, iyileşmeyen bir yara (örneğin yanık) olan hastanın yanına doğrudan bir yazıcı getirilebilecek, yaranın alanı taranıp ölçülecek ve deri katman katman doğrudan yara yüzeyine 3D baskı ile uygulanabilecek.

Prof. Tal Dvir, Tel Aviv Üniversitesi’nde doku mühendisliği ve rejeneratif tıp direktörüdür. Kendisi, 3D‑baskılı “tavşan‑boyutunda” kalp, hücreler, odacıklar, büyük kan damarları ve bir kalp atışı içeren bir proje yürütüyor. Bu icat ve gelecekteki potansiyeli hakkında şunları söyledi:

“Şu anda pacemaker hücreleri, atriyum hücreleri ve ventrikül hücreleri üzerinde çalışıyoruz. Görünüm iyi. Bunun geleceği olduğuna inanıyorum.”

Sağlık uzmanları, insan medeniyetinin organ bağışı bekleme listesinde 106.000 kişi bulunması nedeniyle 3D baskı organların bu sorunu çözebileceğine inanıyor. Her gün 17 hasta beklerken hayatını kaybediyor. 3D baskı ile insan organları üretilebilse, birçok hayat kurtarılabilir. 

Stanford Üniversitesi Biyomühendislik Bölümü’nden yardımcı doçent Mark Skylar‑Scott şöyle diyor:

“Alan, son iki on yılda çok hızlı ilerledi; basılmış mesanelerden şimdi damarları olan, pompayla bağlanabilen yüksek hücreli dokulara, kalp bileşenlerine benzeyen karmaşık 3D modellerine kadar geldi.”

Artık 3D‑baskı insan organlarının tedavi prosedürlerimizi ve bakım sistemlerimizi devrim niteliğinde değiştireceği neredeyse kesin. Ancak bazı zorlukların üstesinden gelmesi gerekiyor. 

Örneğin, daha dayanıklı (stres‑dirençli) olması gerekir. Üretim ve imalat, hammadde uyumluluğu açısından daha kapsayıcı olmalı. Ölçeklenebilirliği artırmak için enerji verimliliği sağlanmalı. 

Ayrıca, 3D yazıcıların sıklıkla kanserojen ve toksik olabilen, organ hasarı, boğaz tahrişi ve mide bulantısı gibi ciddi sağlık sorunlarına yol açabilen uçucu organik bileşenleri (VOC) yaymasını engellemek gerekir. Son olarak, maliyet‑etkin ve uygun fiyatlı hâle gelerek dünya çapında tedaviye erişimi sınırlı olan büyük bir nüfusu fayda sağlamalı. 

En umut vaat eden 3D biyoyazdırma hisseleri listesi için buraya tıklayın.