To, że druk 3D wykorzystuje się do wytworzenia dowolnego obiektu z tworzywa sztucznego, nie dziwi już chyba nikogo. Jednak o zastosowaniu techniki biodruku wciąż wiadomo niewiele. Badaczki z Politechniki Wrocławskiej opracowują metodę drukowania 3D w hydrożelach. Okazuje się, że ta technika ma ogromny potencjał

Dr hab. Anna Witek-Krowiak, dr Anna Dawiec-Liśniewska i dr Daria Podstawczyk spotkały się na Wydziale Chemicznym PWr. – Ania i Daria były moimi dyplomantkami, potem zrobiły doktorat i teraz wspólnie od jakiegoś czasu realizujemy różne projekty, w tym oparte na hydrożelach i druku 3D – wyjaśnia dr Anna Witek-Krowiak z Zakładu Inżynierii Chemicznej. Dodaje, że badania nad nowymi biomateriałami do druku 3D prowadzone są na świecie zaledwie od kilku lat.

– Naukowcy pracują nad nowymi materiałami z hydrożeli, które mogłyby mieć różne zastosowania. Przeważnie celuje się w produkcję sztucznych organów. Czasami media donoszą, że naukowcy „wydrukowali” np. wątrobę, co nie do końca jest prawdą. Chodzi  bardziej o to, że komórki zostały unieruchomione w hydrożelu i nadano im określony, zamierzony kształt – wyjaśnia dr Dawiec-Liśniewska.

Z racji tego, że badaczki nie mają warunków do prowadzenia hodowli komórek, podeszły do tej kwestii z nieco innej strony. Postanowiły skupić się na projektowaniu i wykorzystaniu materiałów o kontrolowanym uwalnianiu do innych celów. Ich badania podążają w trzech kierunkach: komponowanie materiałów hydrożelowych i termoplastycznych do druku 3D, agrochemikalia i umieszczanie w hydrożelach organizmów żyjących – alg.  Wszystkim tym realizacjom przyświeca jednak wspólna idea – projektowania struktur o określonych właściwościach i kształtach.

Plaster „na zamówienie”

– Zastanawiałyśmy się, czy da się stworzyć na przykład takie kompozyty, które nie dosyć, że pasowałyby idealnie do konkretnej rany czy miejsca, to jeszcze miałyby właściwości antymikrobiologiczne, a do tego dozowały lek w odpowiedniej dawce – wyjaśnia dr Daria Podstawczyk. Dodaje, że wpadła na ten pomysł myśląc o zastosowaniu takiego materiału na przykład w ratownictwie medycznym.

–  Wyobraźmy sobie, że karetka jedzie do wypadku. Ratownicy na miejscu skanują ranę pacjenta i wysyłają skan do szpitala, gdzie drukowany jest spersonalizowany opatrunek o konkretnym kształcie i zawierający już odpowiednią ilość leku. Pacjent przyjeżdża do szpitala i do razu jest skutecznie leczony – tłumaczy dr Podstawczyk. – Można takie materiały stosować do leczenia miejsc trudnodostępnych, np. leczenia infekcji ucha czy narządu rodnego – dodaje dr Witek-Krowiak. – Można by wydrukować bezpieczny biologicznie element z odpowiednią porcją leku i zaaplikować go miejscowo bez niepotrzebnego obciążania reszty organizmu.

Badaczki mają świadomość, że wdrożenie takiego rozwiązania to jeszcze bardzo daleka droga. Uważają jednak, że rolą naukowców jest kreować rzeczywistość, projektować przyszłość i szukać rozwiązań ulepszających nasze życie.

Ich badania są na razie na etapie początkowym, ale udało im się już wydrukować taki materiał o potwierdzonych właściwościach antymikrobiologicznych. – Naszym zadaniem było wyprodukowanie materiału, to znaczy wytłoczenie filamentu o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych w postaci cienkiej żyłki, któremu potem nadałyśmy określony kształt w druku 3D. Następnie wysłałyśmy nasza próbkę do współpracującego z nami laboratorium na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu, które wykazało, że nasz materiał istotnie ma właściwości bakteriobójcze i bakteriostatyczne – tłumaczy dr Daria Podstawczyk.

Chemiczki mają już zgłoszenie patentowe na swój projekt i przygotowują publikację. Uważają, że ich pomysł ma szanse na komercjalizację, stanowiąc polski odpowiednik filamentów produkowanych obecnie w niewielu miejscach na świecie (w Holandii i Korei). Podkreślają, że metoda nie jest specjalnie wymagająca i może być stosowana do innych materiałów kompozytowych.

Bezpieczne nawozy

Ich kolejnym pomysłem na wykorzystanie hydrożeli i druku 3D jest rolnictwo. I tu też widzą szansę na projektowanie materiałów z możliwością powolnego uwalniania określonej substancji do otoczenia. – Tworzymy struktury hydrożelowe i badamy ich różne właściwości, takie jak na przykład pęcznienie. Rzucone na pole hydrożele mogą absorbować wodę i uwalniać wybrane składniki. Potem wysychają, znowu absorbują wodę i przez dłuższy czas uwalniają pożądany składnik. Marzeniem rolnika byłoby wyrzucenie jednorazowo w ciągu roku nawozu na pole. I ważne, żeby ten preparat nie spłynął od razu do wód powierzchniowych, jak się dzieje teraz, tylko żeby tkwił w glebie i działał ze stałym stężeniem – tłumaczy dr Anna Witek-Krowiak.

Podkreśla, że taki preparat jest biodegradowalny i ekologiczny, bo zbudowany jest z naturalnych polimerów i zawiera w sobie odpady. Chemiczki użyły bowiem zmielonych skorupek jaj jako wypełniacza. – Skorupki są źródłem wapnia, a przy okazji można na nich immobilizować różne składniki. Dodatkowo wzmacniają nam też strukturę hydrożelu – wyjaśnia.

Takie rozwiązanie byłoby więc zdecydowanie bezpieczniejsze dla środowiska – ze względu na spowolnione uwalnianie substancji i jej kontrolowane stężenie. A takie są między innymi wymogi Unii Europejskiej odnośnie wprowadzenia precyzyjnego nawożenia.

Dr Witek-Krowiak: – To, co już istnieje na rynku, jest zrobione z polimerów syntetycznych, które nie rozkładają się tak szybko i są drogie. My bazujemy na polimerach naturalnych, czyli „bio”. Finalnie chcemy stworzyć taką strukturę wielootoczkową, która wspomagałaby rozwój rośliny we wszystkich fazach wzrostu.

Ich projekt został już opatentowany, niebawem ukażą się publikacje naukowe na ten temat. Badaczki przyznają, że jeden pomysł napędza kolejny. – Zaczęłyśmy od projektu hydrożelowego pod kątem kontrolowanego uwalniania. Potem powstała idea, że możemy drukować z hydrożeli, a trzecia droga to zamykanie mikroalg w hydrożelach – wyjaśnia dr Anna Dawiec-Liśniewska, koordynatorka projektu.

Hodowanie alg w hydrożelu

– Algi to organizmy żywe, które produkują cenne substancje, jak choćby tlen. Immobilizuje (unieruchamia) się je od ponad 20 lat. Problem w tym, że potrzebują określonych warunków do przeżycia. Dlatego my postanowiłyśmy zamknąć je w strukturze hydrożelowej. Okazuje się, że jest ona doskonałym środowiskiem do rozmnażania się alg, a dodatkowo pozwala je unieruchomić  – wyjaśnia dr Dawiec-Liśniewska.

Wylicza też różne potencjalne zastosowania takich struktur jak natlenianie przestrzeni (np. na statkach kosmicznych), oczyszczanie i uzdatnianie wody, jako reaktory do produkcji beta-karotenu czy w kosmetologii. Podkreśla, że dodatkowym walorem jest tu możliwość zaprojektowania i wydrukowania określonego kształtu takiego hydrożelu z algami.

Chemiczka śledzi na bieżąco rozwój badań naukowych w tym temacie. – Pojawiają się nawet takie szalone pomysły, jak na przykład wykorzystanie mikroalg umieszczonych w workach polimerowych i rozrzuconych na tafli oceanu do produkcji energii. One mogą wytwarzać wodór jako biopaliwo, ale też stanowić doskonałe źródło biomasy do produkcji zielonej energii – tłumaczy dr Dawiec-Liśniewska.

– Badania nad projektowaniem hydrożeli z algami rozpoczęłyśmy rok temu. Próbki sprowadzałyśmy z hodowli alg w Czechach i Wielkiej Brytanii. Ponieważ jest to materiał żywy biologicznie, wymaga specjalnego traktowania – opowiada chemiczka z PWr.

Badaczki przyznają, że mają jeszcze w zanadrzu wiele projektów naukowych. – Skaczemy na bardzo głębokie wody, ale nie jesteśmy zamknięte na jeden temat. Czasami rodzą się wtedy nowe koncepcje, które potem sprawdzamy od strony naukowej i okazuje się, że niektóre z nich mają potencjał. Pomysłów nam nie brakuje, brakuje nam jedynie czasu na ich realizacje – śmieją się młode chemiczki.

Do swoich projektów chętnie włączają studentów. Niedawno wspólnie z Kołem Naukowym Consilium, w ramach działalności Laboratorium MAP, zorganizowały akcję zbiórki zakrętek po napojach, które potem wykorzystują do produkcji filamentów do drukarki 3D. Nazywają to „zakładowym recyklingiem”. – Po co kupować gotowe  materiały, skoro możemy je zrobić sami z odzyskanych surowców. Dzięki temu wpisujemy się w ideę gospodarki cyrkularnej, a przy okazji drukujemy fajne gadżety, jak breloczki czy figurki. To tylko pokazuje, że filozofia zielonej chemii jest nam naprawdę bliska – podkreślają.

****
Badania zespołu realizowane są w ramach projektów współfinansowanych przez Narodowe Centrum Nauki: „Wytwarzanie i badanie właściwości fizykochemicznych i mechanicznych trójwymiarowych struktur kompozytowych zawierających środki przeciwdrobnoustrojowe” (2016/23/D/ST8/01267), „Wytwarzanie i badanie właściwości fizykochemicznych hybrydowych, polielektrolitowych mikrokapsułek z immobilizowanymi jednokomórkowymi algami” (016/21/D/ST8/01713) oraz w zakresie projektu KNOW „Przeciwdrobnoustrojowe właściwości polimerowych struktur z nanocząstkami Ag wytwarzanych metodą druku 3D”.