in

3D YAZICILAR VE BİYOMEDİKAL ÇALIŞMALARI

3D YAZICI NEDİR, NE İŞE YARAR?

      Sanal ortamda tasarlanmış 3 boyutlu nesneleri katı formda somut nesnelere dönüştüren makinelere 3 boyutlu yazıcı denir. 3D baskı teknolojisi ile ihtiyaç duyduğunuz bir aparat basabilir, 3D tarayıcı ile taradığınız bir cismin çıktısını alabilir, çizdiğiniz bir tasarımı prototipleyebilir, hatta kendi ürününüzü oluşturabilirsiniz. Kısacası 3 boyutlu yazıcılar ile dilediğiniz her şeyi basabilirsiniz.

3D YAZICI TARİHİ

      İlk 3D yazıcı teknolojisi Charless Hull tarafından 1984 yılında ortaya çıkmıştır. 1986 yılında 3D Systems adlı ilk 3D yazıcı şirketinin kurulmasıyla yeni bir sektör doğmuştur. 90’lı yıllarda bu teknoloji hızla ilerlemiş, Amerika’da ilk renkli baskı alınmıştır. 2005 yılında başlayan ve 2007 yılında ilk açık kaynak kodlu, kendi parçalarını dahil prototipleyebilen yazıcıları çıkaran RepRap projesi ile 3D yazıcılar evlerimize kadar ulaşmıştır. Bu girişimin amacı maliyeti azaltarak kullanımı yaygınlaştırmaktı ve günümüzde ne kadar büyük bir başarıya ulaştığını görebiliyoruz.

NASIL ÇALIŞIR?

      3D yazıcılar, katmanlı imalat (Additive Manufacturing) diye nitelendirilen bir üretim yöntemi ile çalışırlar. Baskı için birçok hammadde kullanılsa da genellikle filament diye nitelendirilen termo plastik materyaller kullanılır. 3D yazıcıların çalışabilmeleri için 3boyutlu modele, tasarıma ihtiyacı vardır. Bilgisayar ortamında AutoCAD, Solidworks, 3DsMax gibi bir CAD (Bilgisayar Destekli Tasarım) programı ile tasarlanmış çizimler veya 3 boyutlu tarayıcı ile taranmış olan nesneler ‘.stl’ uzantısında dışa aktarılırlar. 3D yazıcı ‘.stl’ uzantısındaki dosyayı algılar ve baskı işlemini gerçekleştirir.  Baskı işlemine başlamadan önce yazıcının ucunda ‘nozzle’ diye adlandırılan kafa bölgesinin belirli bir sıcaklığa gelmesi gerekmektedir. Çünkü 3D baskı işlemi eriyen filamentin katman katman ve üst üste serilmesiyle gerçekleşir. Filamentin düzgün bir şekilde yayılabilmesi için de kafa noktasından çıkartken yüksek sıcaklıkta erimesi gerekir. Kafa noktasından eriyerek çıkan filament yüzeyde yayılır yayılmaz donar ve katı formuna geçer. Tüm katmanlar tamamlandıktan sonra model tamamen katı formda hazır hale gelir.

3D YAZICI ÇEŞİTLERİ

      Stereolithography (SLA) Teknolojisi, Digital Light Processing (DLP) Teknolojisi, Fused Deposition Modelling (FDM) Teknolojisi, Selective Laser Sintering (SLS) Teknolojisi, SLM (Selective Laser Melting) Teknolojisi, Electron Beam Melting (EBM) Teknolojisi, Laminated Object Manufacturing (LOM) Teknolojisi.

BİYOMEDİKAL ÇALIŞMALARI

Biyomedikal çalışmalarda 3 boyutlu yazıcıların kullanım alanlarından biri protezlerdir. Ampütasyon(*1) işlemi yapılan hastalarda sonraki dönem için ihtiyaç duyulmaktadır. Çeşitli tarayıcı teknolojilerinin de yardımıyla kişinin sanal ortama aktarılan protez modeli yazdırılır. Geleneksel yöntemler ile kıyaslandığında 3 boyutlu yazıcılarla protez üretmek için 4 ana sebep;

●Mükemmel anatomik uyum

●Düşük maliyet

●Kısa üretim süresi

●Doğala yakın estetik görünümün kolay kazandırılabilmesi.

      Bir diğer kullanim alanı ilaç sektöründedir.

      Araştırmalar için kullanılan geleneksel hücre kültürleri 2 boyutlu olarak hazırlanır ve gerçek dokulara benzeyen hücre çalışmaları için gerekli mikro yapıları taklit etmede yetersizdir. 3 boyutta biyobaskı çalışmaları ile bu hücre kültürlerini 3 boyutlu olarak oluşturup, öngörünün sağlandığı ilaç taramaları için hastalık modelleri olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Bu testlere toksikoloji testlerini(*2) gösterebiliriz. Bir diğer uygulama olarak biyopsi örneklerinden çıkarılan tümör hücrelerinin hastaya özgü tümör kopyaları oluşturmak için labaratuvar ortamında yazdırılıp olgunlaştırılması, ardından bu kopyaları hastalar için kişiselleştirilmiş kanser tedavileri oluşturmak amacıyla terapötik(*3)  ilaç kombinasyonlarını tarama gösterilebilir.

      Peki yazdırılan bu hücreler ve basılmaya çalışılan dokular nasıl oluyor da doğal canlı dokuyu taklit edebiliyor?

      Bu sorunun cevabı “Bioinks” adı verilen biyolojik mürekkeplerin içeriğinde gizli. Bioinks’ler hücrenin büyümesi için gerekli olan büyüme faktörleri(fibroblast, eritropoietin, interlökinler….), extracellular matrix (*4) ve hidrojeller(*5) gibi daha birçok organik yapının karışımından oluşmaktadır. Yazdırılmak istenen dokunun türüne göre bioinkslerin içindekiler ve bulunma oranları değişiyor.

      Ek olarak; üretilen doku canlılık içeriğine sahip olsa da bu canlılığını  sürdürmesini sağlayacak bir vaskülerzasyona yani onu besleyecek, oksijenlenmesini sağlayacak bir damar ağ yapısına sahip olmalı.  Çünkü kanlanması olmayan dokularda dakikalar içerisinde hücre ölümü gerçekleşir.

      3 boyutlu yazıcılarla doku basım aşamasında da hücre ölümlerinin önüne geçmek için araştırmacılar dokuyu bir besin sıvısının içinde yazdırmayı hedef alan çalışmalar yürütmektedir.

      3D yazıcılarla yapılan biyomedikal çalışmalara giyilebilir glikoz biyosensörleri, yapay kan damarları ve arterler, biyonik göz, ligament ve tendonları da örnek verebiliriz.

●Giyilebilir glikoz biyosensörleri kişinin cildine yapışabilen ve vücut sıvılarından glikozu tespit edip ölçüm yapan cihazlardır. Geleneksel yöntemlerde kişi parmağını delerek ağrılı bir şekilde ölçüm yaparken Washington State Üniversitesi’nin geliştirdiği bu biyosensörler bunların önüne geçmekle birlikte doğruluk payını artırıp maliyeti düşüren bir şekilde karşımıza çıkar.

●Yapay kan damarları, hakkında çalışmalar yapılan ama çeşitli engellerle sonuca ulaşılamayan bir alandır. Colorado Boulder Üniversitesi’nden oluşan ekip 3D yazıcıda yeni yöntem bularak maddelerin esneklik ve sertliği kontrollü bir şekilde ayarlanabilmesini sağlamıştır. Çalışma ayrıca kontrollü oksijen geçişini sağlayarak doku iyileşmesinin önündeki engeli aşmıştır.

●Biyonik göz, yapılan çalışmalar neticesinde cam kubbeden oluşan ve tek bir foton algılayabilen yapay gözdür. Minnesota Üniversitesi’ndeki araştırmacıların bulduğu yeni yöntemle, kavisli yüzlere baskı yapma zorluğunun üstünden gelinmiştir. Gözün yumuşak materyallerden yapılması ve verimliliğini daha da artırılması konusunda çalışmalar yapılmaktadır.

●Ligament ve tendon karmaşık ve çeşitli hücrelerden oluşan yapılardır. Utah Üniversitesi’nde geliştirilen yeni teknikle kişinin kendi vücut yağından alınan kök hücrelerle bu yapılar oluşturabilmiştir. Çalışmanın getirdiği yeni baskı tekniği hücrelerin kontrollü bir biçimde yerleştirilmesine olanak sağlayarak 3D yazıcılarla bu yapıların oluşmasını sağlamıştır.

Hala birkaç teknik zorluk olsa da, 3D Bioprinting teknolojisi için parlak bir gelecek var.

      Ampütasyon; işlevini kaybeden organ ya da uzvun cerrahi işlemle çıkarılması, kesilmesi.

1.Toksikoloji testi; kimyasallar ve zehir yönünden değerlendirmelerin yapıldığı test.

2.Terapötik; tedavi edici

3.Extracellular matrix; hücrelerarası boşluğu dolduran yapı

4.Hidrojel; su ile etkileştiğinde çözünmeyen ancak çok miktarda suyu da yapısına alarak şişebilen, 3 boyutlu yapıdaki çarpraz bağlı polimer madde

Rumeysa Çakıray

Cem Fidan

Melike Eroloğlu

Written by IEEE DEU EMBS

Dokuz Eylül Üniversitesi IEEE öğrenci koluna bağlı Engineering in Medicine and Biology Society komitesidir.

Tıpta ve biyolojide mühendislik ile ilgilenir.

WIEVER | Women in Engineering Volunteers in Every Region