3D tiskárny jsou dnes běžnou výbavou domácností i laboratoří. Tiskne se na nich vše od hraček po vědecké pomůcky. Výzkumný tým Jiřího Dejmka a Jana Jedličky z Lékařské fakulty v Plzni UK ale zjistil, že některé běžně dostupné materiály pro 3D tisk vyvolávají poruchy buněčného metabolismu. O takzvané skryté cytotoxicitě publikovali článek v časopise Scientific Reports, který patří do věhlasné rodiny Nature.
3D tisk zažívá v posledních letech obrovský boom. Každý si doma může vytisknout originální šperk, kryt na mobil nebo třeba hračku pro dítě. Užitečným pomocníkem jsou 3D tiskárny i ve vědě a výzkumu. Dají se na nich totiž vyrobit pomůcky, které usnadňují práci v laboratoři, nebo je lze využít přímo při pokusech. A právě to přivedlo Jiřího Dejmka k myšlence, která stála na počátku nového výzkumného projektu. Pracoval na něm téměř dva roky s kolegou Janem Jedličkou.
„Před několika lety nás oslovili kolegové z Ústavu fyziologie s tím, že by potřebovali vypěstovat buňky srdeční svaloviny v naprosto přesném tvaru, aby mohli zjistit, jak tyto buňky kontrahují. Ptali se nás, jestli by se pro ně dala vytisknout na 3D tiskárně nějaká ‚forma‘. Začal jsem o tom přemýšlet a pak mi přišla na mysl zásadní otázka: jaký materiál pro tisk použít, aby nechtěně neovlivnil průběh, respektive výsledky studie,“ vzpomíná Jiří Dejmek.
Srovnání materiálů chybí
Jeho úvahy ho dovedly až k pátrání v odborné literatuře a na vědeckých fórech, kde hledal odpověď na to, jaký materiál by bylo pro výrobu formy nejvhodnější použít. Pátrání však přineslo překvapivé zjištění. Ukázalo se totiž, že ucelené srovnání běžně dostupných komerčních tiskových strun (takzvaných filamentů) zcela chybí.
„Našli jsme studie upozorňující na možné problémy jednotlivých polymerů, pigmentů, aditiv nebo produktů vznikajících při tepelném zpracování plastů. Nebyla ale k dispozici studie, jež by nám jednoduše řekla, který materiál je pro dlouhodobý kontakt s buňkami vhodný a který ne,“ vysvětluje vědec.
To byl hlavní podnět k zahájení vlastního výzkumu. Nejde totiž jen o využití 3D tisku ve vědě a výzkumu, ale i v běžném životě. Díky obrovské popularitě a snadné dostupnosti se člověk dostává do úzkého a dlouhodobého kontaktu s výrobky z 3D tiskáren dnes už běžně, třeba tak, že celý den nosí na ruce vytištěný náramek. Je proto namístě klást si otázku, jestli to nemůže mít nějaký negativní dopad na lidské zdraví.
Tajné receptury
Plzeňští vědci nakoupili na českém trhu běžně dostupné materiály pro 3D tisk různých polymerních skupin (PLA, PETG, CPE, ABS, ASA, polykarbonát, polypropylen a flexibilní materiál FLEX) a začali je testovat. „Soustředili jsme se na materiály, které nabízejí etablovaní čeští a evropští výrobci. S těmi se totiž český uživatel může skutečně setkat a zároveň to jsou materiály s dobře dohledatelným původem a stabilní výrobní kvalitou,“ popisuje Jiří Dejmek.
Důležité je uvědomit si, že si v takovém případě kupující nepořizuje pouze čistý polymer, ale konkrétní komerční recepturu. „Vedle základního polymeru může obsahovat pigmenty, stabilizátory, změkčovadla, látky upravující zpracovatelnost a další technologická aditiva. Přesné složení těchto směsí ale výrobci často nezveřejňují, protože si receptury chrání. Koupený materiál pak během 3D tisku zahřejeme až na 280 °C, biologické vlastnosti výsledného vytištěného výrobku proto mohou být jiné, než jaké vykazuje čistý polymer,“ upozorňuje vědec.
Když buňkám dochází energie
Vytištěný materiál vědci testovali in vitro tak, že ho na sedm dní umístili do kultivačního média nad vrstvu kožních fibroblastů, tedy poměrně odolných buněk lidské kůže. Buňky se plastu přímo nedotýkaly, působily na ně jen látky, které se z materiálu uvolnily.
„Ve zdravotnictví platí evropské nařízení MDR (Medical Device Regulation), které stanovuje požadavky na bezpečnost a funkční způsobilost zdravotnických prostředků. Biologické hodnocení se přitom běžně opírá o soubor mezinárodních norem ISO 10993, jehož část 5 se věnuje testování cytotoxicity in vitro. My jsme na tento princip navázali, ale testování jsme rozšířili o dlouhodobou expozici a podrobnější hodnocení buněčného metabolismu a mitochondrií. A právě tam jsme u některých materiálů objevili problém, který jednoduchý test přežití buněk (viability) nemusí zachytit,“ vysvětluje Jiří Dejmek.
Díky spolupráci s laboratoří profesorky Jitky Kuncové z LFP UK se zaměřili na fyziologii buňky a otestovali ji z pohledu mitochondriální respirace, tedy buněčného dýchání.
„Představte si mitochondrii jako motor, který převádí energii z živin na energii použitelnou pro buňku. Respirometrie je jeho diagnostikou. U testovaného FLEXu jsme zjistili velmi výraznou poruchu. Mitochondrie stále spotřebovávaly kyslík, ale mnohem menší část jejich výkonu se využila k tvorbě ATP, tedy hlavního buněčného zdroje energie. Je to jako motor, který stále spaluje palivo, ale velká část jeho výkonu se nedostane ke kolům. Buňka může být stále živá, ale její energetický systém už je vážně narušený,“ popisuje biofyzik.
Kdyby byl FLEX hodnocený pouze podle běžného kvantitativního kritéria viability dle zmíněné normy ISO 10993-5, jako cytotoxický by vůbec označený nebyl. Právě proto tomuto problému vědci začali říkat „skrytá cytotoxicita“.
Běžné testy viability poskytují především souhrnnou informaci o životaschopnosti či metabolické aktivitě buněčné populace. Nemusí ale odhalit stav, kdy buňky stále přežívají, zatímco jejich mitochondrie a energetický metabolismus už jsou výrazně narušené. Materiál tak může v jednoduchém testu působit příznivěji, než ukáže podrobnější fyziologické vyšetření.
Pátrání pokračuje
Výsledky bádání vědci představili ve studii publikované v prestižním časopise Scientific Reports, který patří do vydavatelské rodiny Nature. A jak už to ve vědě bývá, jejich studie otevřela řadu dalších otázek, jimiž je třeba se dále zabývat.
Nyní se chtějí zaměřit na to, které látky se z problematických filamentů skutečně uvolňují a které z nich se na pozorovaném biologickém účinku podílejí. Výsledky bude také třeba ověřit v komplexnějších modelech tkání. Teprve potom bude možné lépe posoudit jejich skutečný význam pro člověka.
„Na základě našich výsledků bych byl určitě opatrný zejména u dlouhodobého kontaktu výrobků z flexibilních filamentů s lidským tělem, pokud pro konkrétní materiál nemáme k dispozici údaje o jeho biokompatibilitě. U námi testovaného FLEXu byly změny buněčného metabolismu a mitochondriální funkce opravdu velmi výrazné. To ale neznamená, že jsou všechny materiály toxické. Naopak. Řada z nich vykazovala velmi dobré výsledky – například některé testované materiály na bázi PLA, ASA nebo CPE,“ podotýká Jiří Dejmek.
Problém tedy nepředstavuje samotný 3D tisk jako technologie. To, na co vědci svou studií upozorňují, je především fakt, že dva materiály označené podobným názvem polymeru nemusejí mít stejné biologické vlastnosti. Rozhoduje konkrétní komerční formulace a pravděpodobně také způsob jejího zpracování. Spotřebitel by ale podle výzkumníků měl vědět, co si kupuje.
„Inspirací nám mohou být třeba potraviny. U nich evropská legislativa vyžaduje, aby byly alergeny, jako je například mléko nebo skořápkové plody, ve složení zřetelně označeny. Ne proto, že by byla potravina sama o sobě nebezpečná, ale aby se rizikový spotřebitel mohl informovaně rozhodnout. Neříkám, že bychom měli filamenty regulovat stejně jako potraviny, inspirativní je ale princip transparentnosti. Nechceme po výrobcích, aby zveřejňovali své receptury. Chceme, aby uživatel jasně věděl, zda byl konkrétní materiál testován pro dlouhodobý kontakt s člověkem, nebo je určen pouze pro technické použití. Už jednoduché upozornění typu ‚biokompatibilita nebyla ověřena‘ nebo ‚pouze pro technické použití‘ by podle mě výrazně zlepšilo informovanost uživatelů,“ uzavírá vědec.
| Ing. Jiří Dejmek, Ph.D. |
| Vystudoval Technickou ekologii na Západočeské univerzitě v Plzni. Doktorské studium v oboru Lékařská biofyzika úspěšně dokončil na Univerzitě Palackého v Olomouci. V současné době působí v Biomedicínském centru a na Ústavu biofyziky Lékařské fakulty v Plzni UK, kde přednáší o lékařské biofyzice a o biomedicínském inženýrství. Propojuje biologii s technikou, vedle buněčného výzkumu se věnuje vývoji laboratorních a zdravotnických přístrojů, experimentálních modelů, 3D tisku a prototypování. Je autorem a spolupůvodcem řady českých i zahraničních patentů a v minulosti působil také jako technologický skaut Univerzity Karlovy. |
