Małgorzata Włodarczyk-Biegun: Biodruk 3D daje niesamowite możliwości

Arch. pryw.Małgorzata Włodarczyk-Biegun

Dr inż. Małgorzata Włodarczyk‑Biegun – ukończyła psychologię na Międzywydziałowych Indywidualnych Studiach Humanistycznych Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz inżynierię biomedyczną na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. W projektach badawczych ­skupia się na biodruku 3D w celu opracowania nowoczesnych implantów, precyzyjnie dostosowanych do potrzeb pacjenta i usprawniających leczenie poważnych uszkodzeń ciała.

Marcin Rotkiewicz: – Zajmuje się pani naukowo biodrukiem 3D. Co to takiego?

Małgorzata Włodarczyk-Biegun: – Biodruk bazuje na tej samej technologii co druk 3D. Służy do produkcji, warstwa po warstwie, jakiegoś materiału lub obiektu. W drukarkach 3D używa się płynnego tworzywa sztucznego, które szybko twardnieje. W biodruku – biomateriałów, zazwyczaj zawierających żywe komórki, ludzkie lub zwierzęce. Większość z nich powstaje na bazie hydrożeli, czyli substancji podobnych do żelatyny, a chemiczne dodatki utrzymują całą strukturę, czyli nie pozwalają, by to, co wyszło z drukarki, zmieniło się w bezkształtną masę.

Taki wydrukowany obiekt wkłada się do inkubatora, a więc miejsca zapewniającego np. ludzkim komórkom warunki podobne do tych panujących w ciele człowieka. Dzięki temu mogą one odpowiednio rosnąć, łączyć się ze sobą, a w przypadku zastosowania komórek macierzystych – różnicować w wyspecjalizowane komórki, np. mięśni. W ten właśnie sposób próbuje się wytwarzać za pomocą biodrukarek struktury przypominające tkanki, organy i narządy.

Ale komórki, żeby przeżyć, potrzebują tlenu i substancji odżywczych.

Jeśli stworzony w biodrukarce obiekt jest malutki, to nie ma problemu. Wkładamy hydrożel do tzw. medium komórkowego, czyli pożywki zapewniającej wszystkie niezbędne do życia składniki. Dzięki zjawisku dyfuzji medium swobodnie przemieszcza się w hydrożelu między komórkami. W inkubatorze znajduje się też odpowiednia mieszanina gazów, w tym tlen.

Problem pojawia się wtedy, kiedy chcemy wydrukować coś, co ma wielkość powyżej jednego centymetra i jest podobne do narządów, organów lub tkanek. Do komórek znajdujących się w środku takiego obiektu nie docierają bowiem substancje odżywcze. Częściowo udaje się to rozwiązać, tworząc w trakcie biodruku pory, czyli siateczkę, w głąb której dociera medium. Jednak w przypadku organów wielkości ludzkiego serca czy kawałka mięśnia nawet porowatość nie wystarcza. Trzeba by zatem wydrukować również funkcjonalny układ krwionośny, a to jest na razie science fiction.

Czyli sensacyjne doniesienia, że naukowcom udało się wydrukować jakiś organ, trzeba traktować bardzo sceptycznie?

Można wytwarzać elementy narządów, ale nie całe. Ostatnio zrobiło się głośno o wydrukowaniu w USA płuca człowieka. Ale od razu pojawiły się pytania o jego funkcjonalność. Stworzenie w biodrukarce czegoś, co ma kształt podobny do płuca, to jedno; co innego – uzyskanie organu, który da się wszczepić człowiekowi i który zintegruje się z jego ciałem oraz będzie prawidłowo wykonywał swoje funkcje. Do biodrukowania ludzkich organów wiedzie jeszcze daleka droga.

Co konkretnie można dziś uzyskać dzięki biodrukarce 3D?

Małe fragmenty tkanek, np. mięśniowej, czy też sekwencje tkanek. Chodzi o to, że łączymy ze sobą różne wydrukowane tkanki za pomocą tzw. kanałów mikrofluidycznych, dzięki którym wędruje między nimi medium.

W jakim celu?

Żeby sprawdzić, czy np. leki działające na jedną tkankę będą również wpływały na komórki tworzące inne narządy. Takie systemy symulujące sekwencje tkanek pomogą w przyszłości wyeliminować bardzo dużą część badań przeprowadzanych dziś na zwierzętach.

Tym właśnie się pani zajmuje?

Czymś podobnym. Pracuję nad połączeniami tkanek twardych i miękkich, czyli np. kości z mięśniami i więzadłami. Z medycznego punktu widzenia to ważny temat, gdyż zerwane połączenia trudno się leczy – są zbudowane z tkanek o różnych właściwościach mechanicznych i biologicznych. Dlatego wpadliśmy na pomysł, by spróbować drukować małe implanty. Na jednym końcu są one sztywne, by można było bezpośrednio połączyć je z kością, a na drugim miękkie, by przypominały strukturę mięśnia. Pomiędzy nimi znajduje się element scalający, tzw. gradient. Dzięki wszczepieniu takiego implantu ciało nie musiałoby odtwarzać skomplikowanej struktury połączeń.

W naszych badaniach wykorzystujemy jednak nie tylko biodruk, ale również innowacyjną metodę druku 3D, którą nazywam – bo nie ma jeszcze polskiego tłumaczenia – elektropisaniem stopionym polimerem. Technika ta pozwala na drukowanie materiałów z bardzo dużą dokładnością, dzięki czemu jesteśmy w stanie opracowywać struktury o różnym ułożeniu włókien, więc wpływamy na ich sztywność i właściwości mechaniczne.

Kiedy tego typu implanty zaczną być stosowane u pacjentów?

Może za 5 lub 10 lat. Na razie mój zespół koncentruje się na badaniach podstawowych. Sprawdzamy m.in., jak składniki materiałów, które drukujemy, wpływają na komórki hodowane in vitro. I wyniki są bardzo obiecujące.

Zaczęła pani również badać nowotwory, m.in. glejaka. Jak tu wykorzystuje się biodruk 3D?

On umożliwia coś, co można określić jako symulowanie środowiska wzrostu nowotworu. Innymi słowy, da się wydrukować komórki rakowe i otaczającą je tkankę, a następnie badać w ściśle kontrolowany sposób, jak zmiany ich otoczenia wpływają na rozrost komórek oraz jak bardzo nowotwór jest progresywny. Pod tym względem biodruk 3D daje niesamowite możliwości modelowania.

Kolejny przedmiot pani zainteresowań to siateczka beleczkowa w oku. Co to za struktura?

Filtruje płyn w gałce ocznej i dzięki temu reguluje ciśnienie. Jest bardzo ważna, bo jej zatkanie prowadzi do jaskry. Używając elektropisania stopionym polimerem, stworzyliśmy model takiej siateczki i badamy, czy dobrze odzwierciedla, co dzieje się w oku człowieka. Kolejnym etapem będzie testowanie na nim leków na jaskrę.

Po konsultacjach z lekarzami zdecydowaliśmy, że nasz model pozostanie jednak tylko modelem. Chcieliśmy iść w stronę implantu, ale okazało się, że rozmiary siateczki beleczkowej – jest bardzo małą strukturą wielkości około stu mikrometrów (tysięcznych milimetra) – uniemożliwia jej implantację. Medycy powiedzieli nam, że nie zdołaliby precyzyjnie włożyć implantu do oka i przykleić.

Pani kariera ma wymiar międzynarodowy: obroniła pani doktorat i odbyła staż podoktorancki w Holandii, a kolejny w Niemczech.

Bycie dłużej w innym kraju naprawdę otwiera umysł. Również teraz pracuję i w Polsce, i w Holandii, ale mieszkam pod Krakowem.

A jak wypada porównanie warunków pracy naukowca u nas i w krajach, gdzie pani pracowała?

Bardzo trudno to zrobić, gdyż tam nakłady na naukę są znacznie większe, więc rozwija się najlepiej w Europie. U nas, z pewnością, jeszcze tego poziomu nie osiągnęliśmy. Z drugiej strony znajomi z Portugalii i Hiszpanii mi zazdroszczą. Uważają, że w Polsce można teraz bardzo łatwo zdobyć finansowanie, jeśli tylko ma się dobry projekt naukowy i chęci. Rzeczywiście, mam na Politechnice Śląskiej świetne możliwości rozwijania swojej grupy badawczej. Również dzięki sprzętowi, który otrzymałam z grantów i od uczelni.

Mówi się jednak sporo o skostnieniu w polskim środowisku naukowym, zbyt sztywnych hierarchiach, niezbyt dobrych relacjach międzyludzkich.

Mam wrażenie, że u nas jest za dużo rywalizacji, a za mało współpracy. To zdecydowanie nie tylko polski problem, ale w naszym kraju, niestety, dosyć widoczny. Dlatego na swoim koncie na Twitterze umieściłam hasło: „It’s cool to be nice (in science)”, czyli „Fajnie być miłym (w nauce)”. Szkoda, że to, jak ważne jest „bycie miłym” dla studentów, członków swojej grupy badawczej, osób naukowo od nas zależnych, pozostaje na razie niedoceniane.

Otrzymała pani w Niemczech Nagrodę L’Oréal dla wyróżniających się kobiet w nauce. Czy paniom jest nadal ciężko robić karierę, szczególnie w dyscyplinach technicznych?

Ta nagroda promowała młode kobiety łączące osiągnięcia naukowe z macierzyństwem, a jestem mamą dwóch córek. Jeśli zaś chodzi o dyskryminację ze względu na płeć, to mam szczęście do ludzi, z którymi pracuję. Nigdy nie zdarzyło mi się, że byłam gorzej traktowana. Nie da się jednak ukryć, że im wyżej w naukowej hierarchii, tym mniej jest kobiet.

Jak zatem łączyć bycie matką i naukowczynią?

Jest trudno, nawet jak ma się tak wspierającego męża jak mój. Mamy sporo dodatkowych obowiązków, bo nasza rodzina składa się również z konia, psa i osła. Taka różnorodność wokół daje mi siłę. A kiedy pojawiają się gorsze momenty, mogę pojeździć na koniu lub pogadać z osłem. Opieranie życia tylko na pracy nie jest dobre, bo zawsze może coś pójść w niej nie tak. Bliscy, zwierzęta, przyroda zapewniają równowagę i oddech.