Lista przedmiotów z materiałami udostępnionymi dla studentów

Dla_studentów
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Karolina Przybyszewska

Opracowanie optymalnych warunków wytwarzania biomateriałów naturalnych przeznaczonych do drukowania wyrobów medycznych techniką 3D


Development of optimal parameters for the natural biomaterials using for medical devices production by 3D technique


Opiekun pracy dyplomowej: dr hab. inż. Dorota Bociąga prof. ucz.
Praca dyplomowa magisterska obroniona 2018-09-07
Streszczenie pracy dyplomowej:
Biodruk może być definiowany jako jednoczesne umieszczanie biomateriału i żywych komórek warstwa po warstwie zgodnie z przygotowanym wcześniej modelem struktury, w celu wytworzenia żywych tkanek i organów. Intensywny rozwój drukowania 3D z wykorzystaniem biotuszy spowodował, że wartość tego rynku stale rośnie z 487 milionów dolarów w 2014 roku do przewidywanych 1,82 bilionów dolarów do końca 2022 roku. Szerokie zastosowanie biodruku 3D w inżynierii tkankowej wynika nie tylko z możliwości drukowania komórkami pobranymi od dawcy, ale również z powtarzalności i wysokiej rozdzielczości w wytwarzaniu w mikroskali. W definicji biodruku istotne znaczenie ma stosowanie żywych komórek oraz składników biologicznych, co odróżnia go od zastosowania druku 3D w inżynierii tkankowej oraz innych obszarach medycyny. Na dzień dzisiejszy biodruk 3D w pełni funkcjonalnych narządów jest niemożliwy do osiągnięcia. Istniejące obecnie rozwiązania technologiczne urządzeń oraz dostępne materiały nie dają możliwości uzyskania w pełni funkcjonalnych struktur anatomicznych. Jednak wiele ośrodków badawczych pracuje nad opracowaniem nowych materiałów przeznaczonych do biodruku czy nad dostosowywaniem odpowiednich geometrii pod względem wymiarów i kształtów porów w wydrukach. Wraz z tym opracowywane są również nowe metody drukowania, aby móc wytwarzać w pełni funkcjonalne narządy w przyszłości. W niniejszej pracy przeprowadzono badania, które pozwoliły na opracowanie biomateriału o parametrach umożliwiających jego zastosowanie jako biotuszu do wydruków bezpośrednich. Na podstawie przeglądu literatury wybrano dwa hydrożele: alginian sodu oraz żelatynę i przygotowano je z wykorzystaniem dwóch rozpuszczalników i koncentracji poszczególnych składników. Opracowano procedury przygotowania i sterylizacji hydrożeli, ustalono temperaturę dyszy i szybkość biodruku. Hydrożele zostały scharakteryzowane pod względem składu chemicznego (FTIR), drukowalności, właściwości mechanicznych i biologicznych (żywotność, zdolność proliferacji, biokompatybilność). Hydrożel o najlepszych właściwościach mechanicznych i biologicznych wytypowano do przeprowadzenia testów druku bezpośredniego. To pozwoliło na określenie parametrów druku dostosowanego do opracowanego biotuszu (na specjalnie do tego celu zaprojektowanej i zbudowanej biodrukarce) i zapewniającego najlepsze warunki do wzrostu komórek. W pracy wykazano możliwość sterowania właściwościami mechanicznymi, odpowiedzią biologiczną oraz szybkością degradacji hydrożeli poprzez wykorzystanie różnych rozpuszczalników. Zastosowanie dedykowanego medium hodowlanego jako rozpuszczalnika do przygotowania biotuszu zawierającego przewidywaną linię komórkową, zwiększa proliferację tychże komórek i nie wywołuje efektu cytotoksycznego. Modyfikacja zawartości procentowych poszczególnych składowych hydrożelu daje możliwość kontrolowanego procesu degradacji, co w przypadku druku tymczasowych wspierających wyrobów medycznych stanowi o bardzo istotnym parametrze użytkowego zastosowania hydrożeli – zarówno pod kątem zastosowania w inżynierii tkankowej, jak i do wydruku elementów tkankozastępczych, implantów i organów. Słowa kluczowe: biodruk 3D, inżynieria tkankowa, biomateriały, alginian sodu, żelatyna.
Abstract:
Bioprinting can be defined as the simultaneous placement of biomaterial and living cells layer by layer in a desired pattern to produce living tissues and organs. The intensive development of 3D printing using bioink has caused its market value to increase from USD 487 million in 2014 to USD 1.82 billion by the end of 2022. The wide application of 3D bioprinting in tissue engineering results not only from the ability to print with patient's cells but also from reproducibility and high resolution in microscale production. In the definition of the bioprinting, the use of living cells and other biological components is important. That distinguishes this field from the use of 3D printing in tissue engineering and other fields of medicine. Currently, the 3D bioprinting of fully functional organs is impossible to achieve due to their complex anatomical structure. However, many research centres work on development of new materials dedicated to the bioprinting and enable to get required geometries. Along with this, printing methods are developed as well, in order to be able to fabricate functional organs in the future. In this work, studies were conducted to develop a material with parameters that allow its use as a bioink for direct bioprinting. Procedures for preparation and sterilization of hydrogels, nozzle temperature and the speed of the bioprinting were developed. Hydrogels have been characterized in terms of chemical composition (FTIR), printability, mechanical and biological properties (viability, proliferation ability, biocompatibility). A hydrogel with the best mechanical and biological properties was selected to carry out direct bioprinting tests in order to determine the parameters of the bioink, adapted to print on the designed and constructed bioprinter and provide the best conditions for cell growth. The obtained results showed the ability to control mechanical properties, biological response and rate of degradation of hydrogels through the use of various solvents. The use of a dedicated culture medium as a solvent for the preparation of a bioink containing the predicted cell line, increases the proliferation of these cells and does not induce a cytotoxic effect. Modification of the percentage of individual components of the hydrogel gives the possibility of a controlled degradation process, which in the case of printing temporary medical devices is a very important parameter of the use of hydrogels - both in terms of tissue engineering and printing of tissue replacement elements, implants and organs. Keywords: 3D bioprinting, tissue engineering, hydrogels, direct bioprinting, biomaterials.