3 Boyutlu Yazıcı Nedir ?

Baskı teknolojisindeki ve yazılımlardaki ilerlemeler sonucunda son yıllarda 3 boyutlu (3D) yazıcıların kullanımı ve yaygınlığı giderek artmaktadır. Bu yazıcılar, gelişmiş bilgisayar modelleme programlarıyla şekillendirilmiş karmaşık yapıları bir ürün olarak ortaya çıkarmak için kullanılmaktadır. Mürekkep püskürtmeli iki boyutlu yazıcıdan en önemli farkı, mürekkep yerine, inşa edilmek istenen cihaza ait malzemenin kullanılmasıdır. Yani mürekkep, bazen macun kıvamında plastik, bazen bir solüsyon, bazen de ergimiş metal olabilmektedir. Farklı büyüklüklerde üretilen üç boyutlu yazıcılar, birçok alanda yeni nesil üretim tekniği olarak kullanılmaktadır.

İlk Üç Boyutlu Yazıcı

Üç boyutlu yazıcılar 1984 yılında bir fizik mühendisi olan Dr. Charles Hull tarafından geliştirilmiştir. Ancak Stereolitogran (STL) yöntemiyle baskı yapan bu yazıcının geliştirilmesinden uzun yıllar sonra (2006 yılında) düşük maliyetli üç boyutlu yazıcıların üretilmesi ile etkin olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Üç Boyutlu Ürün Nasıl Üretilir ?

Bir ürünün 3B yazıcıda üretilebilmesi için, öncelikle o ürünün üç boyutlu görüntüsünün CAD (Computer Assisted Design-Bilgisayar Destekli Tasarım) adı verilen üç boyutlu çizim yazılımları (AutoCAD, SolidWorks, 3DsMAX, Blender, Google Sketch Up vb.) ile çizilmesi ya da radyolojik görüntülerin görüntüleme programlarında (OsiriX, 3D Doctor, MeVisLab vb.) Volume Rendering adı verilen işlem ile 3B hale getirilmesi gerekir. STL uzantılı dosya formatında kaydedilen görüntüler yardımcı programlar vasıtasıyla (MeshMixer, Repetier 3D vb.) baskı öncesi yüzey düzeltmeleri ve  gibi işlemlerden geçirilir. Üç boyutlu yazıcı ya gönderilen veriler yazıcı tarafından basılır. Ürüne ve üretim malzemesinin türüne göre ya son ürün elde edilmiş olur ya da sonlandırıcı kimyasal işlemlerden geçirilerek dayanıklılık kazandırılması, renklendirme ve yüzey düzeltmesi yapılır.

Günümüzde üç boyutlu yazıcılar temel olarak üç ana teknolojiyi kullanır.

Seçici Lazer ile Sinterleme (Selective Laser Sintering; SLS)

Bu yöntemde mikron boyutunda hareket edebilen bir asansör üzerindeki bir kap içinde metal, seramik, cam ya da plastik tozlan bulunur. Bu tozlar Iazer ile birleştirilir ve sıkılaştırılır. 3B yazılımla çizilmiş olan nesne mikron düzeyinde katmanlar halinde oluşturulur. Her katman oluşturulduktan sonra asansör katman kalınlığı kadar aşağı iner.

Bileşimli Yığma ile Modelleme (Fused Deposition Modelling; FDM)

Bu sistemle baskı yapan 3B yazıcılarda en sık kullanılan yöntem, akrilo nitril bütadien stiren (ABS) ya da poli laktik asit (PLA) adı verilen sertleştirilmiş plastik liflerin, extruder adı verilen yatay eksenli bir şaryo üzerindeki başlıkta eritilerek, düşey eksende hareket eden bir plaka üzerine katman katman eritilerek dökülmesidir. Masaüstü ve bireysel kullanımda en yaygın kullanılan yöntemdir. Cihaz ve sarf malzeme maliyetleri düşük, ancak baskı kalitesi sınırlıdır.

Polimer Kürleme (Polymer curing; PC)

Bu teknoloji ile üretim yapan 3B yazıcılarda bir kap içindeki sıvı fotopolimer, yönlendirilmiş lazer ya da kızılötesi ışıkla kürleme adı verilen işlem ile katman katman sertleştirilir. Belirli kuruma süresi sonunda sıvı reçine içinden sertleştirilmiş polimerden ürün çıkarılır. Bu tip modellemede çok ince detaylara sahip, düzgün yüzeyli ve elastik ürünler üretilebilir. Ancak dayanıklılık ve yüksek maliyet gibi dezavantajlara sahiptir.

Birçok alanda olduğu gibi, sağlık alanındaki uygulamalarında da ciddi artış olan biyoyazıcıların kullanım alanları arasında, eczacılık, cerrahi uygulama, medikal enstrüman, simülatör üretimi, ortez-protez üretimi, organ ve doku üretimi, sağlık eğitimi yer almaktadır.

Akış diyagramı verilen 3B biyoyazdırma işlemi görüntüleme, tasarım, malzeme, hücre, biyo-baskı ve uygulama olmak üzere altı ana başlıktan oluşmaktadır. Görüntüleme adımında, tıbbi görüntüleme cihazları kullanılarak biyolojik yapıların, bilgisayar destekli tasarımı ve matematiksel modellenmesinde kullanılacak kompleks mimari bilgileri elde edilir. Görüntüleme cihazları ile elde edilen ham veriler, bilgisayar destekli yazılım paketi kullanılarak 3B dijital (CAD/CAM) çizimlere dönüştürülür. Tasarım adımında, üretilmesi planlanan hedef dokuya uygun tasarım yaklaşımı ya da bu yaklaşımların kombinasyonları belirlenir. Tasarım yaklaşımlarına göre işlenen 3B dijital çizimler biyo-baskı işlemi için hazırlanarak belirli kalınlıklarda 28 ardışık katmanlara dilimlenir. Malzeme ve hücre adımlarında, hedef doku şekli ve işlevi için uygun malzeme ve hücre kaynağı seçilir. Malzeme adımında yaygın olarak sentetik ve doğal polimerler ile hücre dışı ortam (extra cellular matrix; ECM) kullanılır. Hücre adımında kullanılan hücre kaynağı allojenik ya da otolog olabilir. Bu bileşenler, mürekkep püskürtmeli, mikro ekstrüzyon ya da lazer destekli biyo yazıcılara entegre edilir. Biyo-baskı adımında, seçilen malzeme ve hücre kaynakları, hedef dokuya özgü geliştirilen inkjet, mikroekstrüzyon ve Iazer destekli yazdırma teknolojileri ile birlikte kullanılarak canlı yapıların oluşması sağlanır. Uygulama adımında, bazı dokular için transplantasyon öncesi biyoreaktörde olgunlaşma periyodu gerekebilir.

Bu dokular alternatif olarak in-vitro (laboratuvar ortamı) uygulamalarda kullanılabilir. Olgunlaşma periyodunu tamamlayan dokular analiz edilerek hedef dokuya uygunluk belirlenir.

Temel olarak kullanılan biyo yazdırma teknolojileri

Mürekkep püskürtmeli, mikroekstrüzyon ve lazer destekli yazdırma sistemleridir. Mürekkep püskürtmeli yazıcılarda, elektrik ile yazdırma başlığı ısıtılır ve başlıkta damlamayı sağlayan hava basıncı darbeleri üretilir. Sesli yazıcılar, piezoelektrik ya da ultrason basıncından oluşan darbeleri kullanır. Mikroekstrüzyon yazıcılarda, ekstrüzyon için pnömatik ya da mekanik sistemler kullanılır. Lazer destekli yazıcılarda, emici yüzey üzerine odaklı lazer kullanılarak puls oluşturulur. Bu basınçla hücreler alt tarafta bulunan bir toplayıcı yüzeye doğru itilir. Aşağıda biyo yazdırma teknolojileri görülmektedir. 3B biyoyazıcılarda doku ve organların örnekleri üretilerek canlılıklarını korumaları başarılmıştır. Üretilen bu dokuların ve minyatür organların kısa vadede ilaç denemelerinde, doku mühendisliğinde ve tedaviye yönelik yenileyici tıp çalışmalarında kullanılması planlanmaktadır. 3B yazıcıların yaygınlaşmasıyla birlikte, canlı hücrelerin doğrudan hassas konumlandırılmasıyla geleneksel yöntemlerle hedef dokunun oluşturulması sırasında meydana gelen zaman ve maddi kayıplar önlenecektir. Ayrıca transplantasyon sonrası malzeme kaynaklı uyumsuzluğun tamamen ortadan kaldırılması mümkün olabilecektir.

Biyoyazıcı teknolojisi sayesinde artık kaybedilen uzuv veya organlar yazıcı aracılığı ile basılarak hastaların kullanımına sunulabilecektir. Şu ana kadar birçok kez yapay organ üretimi gerçekleştirilmiş: ancak yapılan deneylerin tümü hayvanlar üzerinde denenmiştir. Bu örneklerin içinde en dikkat çekici olanı yapay damar üretimidir. Bu çalışmanın ardından insan kalbi işlevine en yakın prototip biyoyazıcılarla üretilmiştir. İnsan kalbi gibi atması sağlanan bu kalp henüz bir canlıda kullanılmamıştır. Ancak biyomühendislere göre biyoyazıcılarla üretilebilecek en kolay organların başında kalp gelmektedir ve yakın gelecekte bu gerçekleştirilecektir .

Ülkemizde de biyoyazıcılar üzerine önemli çalışmalar yapılmaktadır. Bu kapsamda yapılan bir çalışmada, canlı hücreler kullanılarak 3B biyo-basım yöntemi ile aort benzeri, anatomik yapısına uygun büyük yapay damar dokusu üretilmiştir. Çalışmanın nihai hedefi, 3B biyo-yazıcı ile hastanın kendi normal hücrelerini veya kök hücrelerini kullanarak, gereken dokunun hatta organının birebir kopyasını üretebilmek ve böylece hastanın kendi hücreleri ile üretilen yapay doku veya organı hastanın vücudunun reddetmesi gibi bir durumu ortadan kaldırmaktır.

Yapılan her yeni araştırma, insanlığı gerçek organların biyoyazıcılarla hızlı bir şekilde üretilerek hastalara nakledilmesi sürecine bir adım daha yaklaştırmaktadır. 3B biyoyazıcı teknolojisi organ ve doku üretiminde ve naklinde başarıyla kullanılmaya başlandığı anda sağlık sektöründe yepyeni bir dönem başlayacak ve 3B biyoyazılar tıpkı bir röntgen cihazı gibi hastanelerin en önemli cihazları haline gelecektir.