Inżynieria tkankowa jest dziedziną nauki łą
czącą wiedzę medyczną i osiągnięcia inżynierii materiałowej w celu opracowania biomateriałów, które mają za zadanie rekonstrukcję lub poprawę funkcjonowania tkanek. W medycynie regenera
cyjnej powszechnie stosuje się konstrukcje rusz
towań tkankowych. W celu ich otrzymania wy
izolowane, a następnie namnożone w warunkach
in vitro komórki wysiewane są na trójwymiaro
wym rusztowaniu, najczęściej polimerowym. Ca
łość umieszczana jest w bioreaktorze, gdzie pa
nują odpowiednie warunki do hodowli określonej tkanki [40].
Gellan jest często badany jako składnik biomate
riałów do rekonstrukcji tkanki kostnej i chrzęstnej [3]. Douglas i wsp. opracowali samożelujące kom
pozyty do wstrzykiwań, mające potencjalne zasto
sowanie w inżynierii tkanki kostnej. Formulacje zostały otrzymane na bazie gellanu wzbogacone
go w różnego rodzaju cząstki bioszkła. W zależno
ści od użytego bioszkła różniły się właściwościami przeciwbakteryjnymi oraz wpływem na różnico
wanie mezenchymalnych komórek macierzystych szczurów [41].
Z kolei Chang i wsp. otrzymali film na bazie gumy gellan wykazujący właściwości bioabsorben
tu. W badaniach na szczurach wykazano, że chi
rurgiczne nałożenie takiego filmu na dwa miesiące na powierzchnię uszkodzonej tkanki kostnej zabez
pieczało przed niepożądanym narastaniem w tym rejonie tkanki łącznej, a tym samym przyspiesza
ło regenerację kości. Zastosowany biomateriał cha
rakteryzował się odpowiednią biodegradowalnością i nie powodował stanu zapalnego w otaczających tkankach [42].
Podejmowane są także próby wykorzystania gumy gellan w regeneracji tkanek chrzęstnych, po
siadających ograniczoną zdolność do samonaprawy.
Głównym celem prowadzonych badań jest przede wszystkim otrzymanie struktur mogących zastąpić uszkodzoną tkankę lub indukować jej regenerację [43]. Badania Oliveiry i wsp. wykazały, że hydrożele na bazie gumy gellan posiadają odpowiednie właści
wości lepkosprężyste, zbliżone do naturalnej tkan
ki. Ponadto eksperymenty in vitro z wykorzysta
niem ludzkich chondrocytów nosa potwierdziły, że materiały na bazie gellanu można wykorzystać jako rusztowania dla dzielących się komórek. Doświad
czenia in vivo na królikach, polegające na wstrzyk
nięciu w miejsce ubytków tkankowych komórek autologicznych na nośniku gellanowym, wykazały, że po 1, 4 i 8 tygodniach implanty nadal pozosta
wały w miejscu aplikacji. Po 8 tygodniach wszyst
kie miejsca uszkodzenia tkanki chrzęstnej zostały wypełnione [43–45].
Materiały na bazie gumy gellan są również bada
ne pod kątem potencjalnego wykorzystania w pro
dukcji biodegradowalnych filmów antyadhezyjnych stosowanych w leczeniu ran oraz zapobiegających powstawaniu blizn. Skuteczność działania filmów zależy przede wszystkim od obecności ujemnego ła
dunku na ich powierzchni, który poprzez elektro
statyczne odpychanie nie dopuszcza do przylegania ujemnie naładowanych komórek. W tym przypad
ku gellan wydaje się być odpowiednim kandydatem,
głównie dzięki obecności licznych grup karboksy
lowych. Lee i wsp. otrzymali film antyadhezyjny na bazie gellanu usieciowanego cynamonianem. Jako czynnik sieciujący zostało wykorzystane promie
niowanie świetlne. Wykazano, że po 16 minutach działania promieni UV stopień sieciowania wyno
sił ok. 82%. Po wszczepieniu uzyskanego materia
łu szczurom potwierdzono, że odznacza się on do
brymi właściwościami antyadhezyjnymi. Ponadto na podstawie wyników badań poziomu neutrofi
li w płynie otrzewnowym stwierdzono, że dzięki obecności cynamonianu filmy te mogą skutecznie hamować u szczurów stany zapalne narządów we
wnętrznych [46].
Kolejnym możliwym zastosowaniem gumy gellan jest produkcja nowych wypełnień denty
stycznych. Zachowanie zębodołów po ekstrak
cji zębów ma kluczowe znaczenie dla możliwości stosowania implantów i protez zębowych. Obec
nie jednym z częściej stosowanych wypełnień sto
matologicznych jest Teruplug® (Olympus Teru-mo Biomaterials Corp.) otrzymywany z włókien kolagenowych (rycina 4). Charakteryzuje się on plastycznością, dobrą biokompatybilnością i wła
ściwościami hemostatycznymi, jednak posiada ni
ską odporność mechaniczną oraz szybko rozkłada się pod wpływem enzymów zawartych w surowi
cy i ślinie. Chang i wsp. opracowali nowe wypeł
nienie dentystyczne na bazie gellanu. W tym celu wodne roztwory polimeru liofilizowano, a otrzy
mane w ten sposób porowate produkty poddawa
no sieciowaniu poprzez zanurzenie w roztworze odpowiedniego karbodiimidu i ponownie liofili
zowano. Uzyskane gąbki gellanowe były nieroz
puszczalne w wodzie, a wyniki badań wykaza
ły, że mikrostrukturą, porowatością i ściśliwością były podobne do preparatu komercyjnego. Ponad
to wykazywały bardzo dobrą zdolność do wchła
niania krwi [47].
Podsumowanie
Guma gellan jest obecnie jednym z częściej badanych polisacharydów pochodzenia bak
teryjnego. Korzystne właściwości, takie jak:
biokompatybilność, biodegradowalność, brak tok
syczności, zdolność do żelowania jonotropowego oraz mukoadhezyjność, czynią gellan potencjalnym składnikiem formulacji doustnych, donosowych lub do oczu. Właściwości te stwarzają również możli
wość zastosowania gellanu w stomatologii oraz in
żynierii tkankowej. Warto zauważyć, że obecnie większość opisanych w niniejszej pracy rozwiązań znajduje się na poziomie badań laboratoryjnych.
Jednak, mając na uwadze dużą różnorodność po
tencjalnych zastosowań gellanu oraz rosnącą licz
bę ośrodków naukowych zaangażowanych w ba
dania nad tym polimerem, można przypuszczać, że w najbliższym czasie stanie się on składnikiem ko
lejnych komercyjnych preparatów farmaceutycz
nych [3–5, 9, 48].
Otrzymano: 2015.11.19 · Zaakceptowano: 2015.12.20
Piśmiennictwo
1. Ahuja M., Singh S., Kumar A.: Evaluation of carboxymethyl gellan gum as a mucoadhesive polymer. Int. J. Biol. Macromol. 2013, 53:
114–121.
2. Miyazaki S., Aoyama H., Kawasaki N., Kubo W., Attwood D.: In situ
gelling gellan formulations as vehicles for oral drug delivery. J. Con
trol. Release 1999, 60: 287295.
3. Osmałek T., Froelich A., Tasarek S.: Application of gellan gum in pharmacy and medicine. Int. J. Pharm. 2014, 466: 328–340.
4. Bajaj I.B., Survase S.A., Saudagar P.S., Singhal R.S.: Gellan Gum: Fer
mentative Production, Downstream Processing and Applications.
Food Technol. Biotechnol. 2007, 45: 341–354.
5. Morris E.R., Nishinari K., Rinaudo M.: Gelation of gellan – A review.
Food Hydrocolloid. 2012, 28: 373–411.
6. Kaneko T., Kang K.S.: Agar like polysaccharide produced by a pseu
domonas species: taxonomical studies. Abstracts of the 79th Annu
al Meeting of American Society for Microbiology, 1979, 25: 1–37.
7. Kang K.S., Veeder G.T., Mirrasoul P.J., Kaneko T., Cottrell I.W.: Agar
Like Polysaccharide Produced by a Pseudomonas Species: Produc
tion and Basic Properties. Appl. Environ. Microbiol. 1982, 43: 1086–
1091.
8. Shah J.N., Jani G.K., Parikh J.R.: Gellan Gum and Its Applications – A Review. Pharmaceutical Reviews 2007, 5: 1–29.
9. Prajapati V.D., Jani G.K., Zala B.S., Khutliwala T.A.: An insight into the emerging exopolysaccharide gellan gum as a novel polymer. Car
bohyd. Polym. 2013, 93: 670–678.
10. Rule P.L., Alexander A.D.: Gellan Gum as a Substitute for Agar in Lep
tospiral Media. J. Clin. Microbiol. 1986, 23: 500–504.
11. García M.C., Alfaro M.C., Calero N., Munoz J.: Influence of gellan gum concentration on the dynamic viscoelasticity and transient flow of fluid gels. Biochem. Eng. J. 2011, 55: 73–81.
12. SáCorreia I., Fialho A.M., Videira P., Moreira L.M., Marques A.R., Albano H.: Gellan gum biosynthesis in Sphingomonas paucimobilis ATCC 31461: Genes, enzymes and exopolysaccharide production en
gineering. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2002, 29: 170–176.
13. Mao R., Tang J., Swanson B.G.: Texture properties of high and low acyl mixed gellan gels. Carbohyd. Polym. 2000, 41: 331–338.
14. Moritaka H., Kimura S., Fukuba H.: Rheological properties of ma
trixparticle gellan gum gel: effects of calcium chloride on the ma
trix. Food Hydrocolloids. 2003, 17: 653–660.
15. Picone C.S.F., Cunha R.L.: Influence of pH on formation and properties of gellan gels. Carbohyd. Polym. 2011, 84: 662–668.
16. Dai L., Liu X., Tong Z.: Critical behavior at sol–gel transition in gel
lan gum aqueous solutions with KCl and CaCl2 of different concen
trations. Carbohyd. Polym. 2010, 81: 207–212.
17. Ogawa E., Matsuzawa H., Iwahashi M.: Conformational transition of gellan gum of sodium, lithium, and potassium types in aqueous so
lutions. Food Hydrocolloids. 2002, 16: 1–9.
18. Verma A., Pandit J.K.: Comparative evaluation of Ca++ and Zn++ cross
linked gellan gum based floating beads. Arch. Sci. 2012, 65: 75–84.
19. Maiti S., Ranjit S., Mondol R., Ray S., Sa B.: Al+3 ion crosslinked and acetalated gellan hydrogel network beads for prolonged release of gli
pizide. Carbohyd. Polym. 2011, 85: 164–172.
Rycina 4. Wypełnienie stomatologiczne Teruplug®
(źródło: www.biomaterial.co.jp/en/products/teruplug/product.html)
T E C H N O L O G I A P O S TA C I L E K U
20. Evageliou V., Mazioti M., Mandala I., Komaitis M.: Compression of gel
lan gels. Part II: Effect of sugars. Food Hydrocolloids. 2010, 24: 392–
397.
21. Tang J., Mao R., Tung M.A., Swanson B.G.: Gelling temperature, gel clarity and texture of gellan gels containing fructose or sucrose. Car
bohyd. Polym. 2001, 44: 197–209.
22. Matsukawa S., Watanabe T.: Gelation mechanism and network struc
ture of mixed solution of low and highacyl gellan studied by dyna
mic viscoelasticity, CD and NMR measurements. Food Hydrocolloids.
2007, 21: 1355–1361.
23. Lorenzo G., Zaritzky N., Califano A.: Rheological analysis of emul
sionfilled gels based on high acyl gellan gum. Food Hydrocolloids.
2013, 30: 672–680.
24. Shah D.P., Jani G.K.: A Newer Application of Physically Modified Gel
lan Gum in Tablet Formulation using Factorial Design. Ars Pharm.
2010, 51: 28–40.
25. Vijan V., Kaity S., Biswas S., Isaac J., Ghosh A.: Microwave assisted synthesis and characterization of acrylamide grafted gellan, appli
cation in drug delivery. Carbohyd. Polym. 2012, 90: 496–506.
26. Patil P., Chavanke D., Wagh M.: A review on ionotropic gelation me
thod: novel approach for controlled gastroretentive gelispheres. Int.
J. Pharm. Pharm. Sci. 2012, 4: 27–32.
27. Verma A., Pandit J.K.: Rifabutinloaded Floating Gellan Gum Beads:
Effect of Calcium and Polymer Concentration on Incorporation Effi
ciency and Drug Release. Trop. J. Pharm. Res. 2011, 10: 61–67.
28. Narkar M., Sher P., Pawar A.: StomachSpecific Controlled Release Gellan Beads of AcidSoluble Drug Prepared by Ionotropic Gelation Method. AAPS PharmSciTech 2010, 11: 267–277.
29. Kulkarni R.V., Mangond B.S., Mutalik S., Sa B.: Interpenetrating po
lymer network microcapsules of gellan gum and egg albumin entrap
ped with diltiazemresin complex for controlled release application.
Carbohyd. Polym. 2011, 83: 1001–1007.
30. Miyazaki S., Kawasaki N., Kubo W., Endo K., Attwood D.: Compari
son of in situ gelling formulations for the oral delivery of cimetidine.
Int. J. Pharm. 2001, 220: 161–168.
31. Norton A.B., Cox P.W., Spyropoulos F.: Acid gelation of low acyl gel
lan gum relevant to selfstructuring in the human stomach. Food Hy
drocolloids. 2011, 25: 1105–1111.
32. Gurtler F., Kaltsatos V., Boisrame B., Gurny R.: Longacting soluble bioadhesive ophtalmic drug insert (BODI) containing gentamicin for veterinary use: optimization and clinical investigation. J. Control. Re
lease 1995, 33: 231–236.
33. Kumar A., Mittal A., Kumar S., Singh A., Gupta A.: Effect of gelrite concentration on the release through ocular inserts of ciprofloxacin hydrochloride. J. Pharm. Res. 2009, 2: 487–490.
34. Carlfors J., Edsman K., Petersson R., Jornving K.: Rheological evalu
ation of Gelrite® in situ gels for ophthalmic use. Eur. J. Pharm. Sci.
1998, 6: 113–119.
35. Kesavan K., Nath G., Pandit J.K.: Preparation and in vitro antibac
terial evaluation of gatifloxacin mucoadhesive gellan system. DARU 2010, 18: 237–246.
36. Konstas A.G.P., Mantziris D.A., Maltezos A., Cate E.A., Stewart W.C.:
Comparison of 24 hour control with Timoptic® 0.5% and Timoptic
XETM 0.5% in exfoliation and primary openangle glaucoma. Acta Ophtalmol. Scand. 1999, 77: 541–543.
37. Shedden A.H., Laurence J., Barrish A., Olah T.V.: Plasma timolol con
centrations of timolol maleate: timolol gelforming solution (TIMOP
TICXE®) once daily versus timolol maleate ophthalmic solution twi
ce daily. Doc. Ophtalmol. 2001, 103: 73–79.
38. Cao S., Ren X., Zhang Q., Chen E., Xu F., Chen J., Liu L.C., Jiang X.:
In situ gel based on gellan gum as new carrier for nasal administra
tion of mometasone furoate. Int. J. Pharm. 2009, 365: 109–115.
39. Cao S., Zhang Q., Jiang X.: Preparation of ionactivated in situ gel systems of scopolamine hydrobromide and evaluation of its antimo
tion sickness efficacy. Acta Pharmacol. Sin. 2007, 28: 584–590.
40. Stock U.A., Vacanti J.P.: Tissue Engineering: Current State and Pro
spects. Annu. Rev. Med. 2001, 52: 443–451.
41. Douglas T.E.L., Piwowarczyk W., Pamula E., Liskova J., Schaubroeck D., Leeuwenburgh S.C.G., Brackman G., Balcaen L., Detsch R., Dec
lercq H., CholewaKowalska K., Dokupil A., Cuijpers V.M.J.I., Van
haecke F., Cornelissen R., Coenye T., Boccaccini A.R., Dubruel P.: In
jectable selfgelling composites for bone tissue engineering based on gellan gum hydrogel enriched with different bioglasses. Biomed. Ma
ter. 2014, 9: 045014.
42. Chang S.J., Kuo S.M., Liu W.T., Niu C.C.G., Lee M.W., Wu C.
S.: Gellan Gum Films for Effective Guided Bone Regeneration. J. Med.
Biol Eng. 2010, 30: 99–103.
43. Oliveira J.T., Martins L., Picciochi R., Malafaya P.B., Sousa R.A., Neves N.M., Mano J.F., Reis R.L.: Gellan gum: A new biomaterial for carti
lage tissue engineering applications. J. Biomed. Mater. Res. A 2010, 93: 852–863.
44. Oliveira J.T., Gardel L.S., Rada T., Martins L., Gomes M.E., Reis R.L.:
Injectable gellan gum hydrogels with autologous cells for the treat
ment of rabbit articular cartilage defects. J. Orthop. Res. 2010, 28:
1193–1199.
45. Oliveira J.T., Santos T.C., Martins L., Picciochi R., Marques A.P., Castro A.G., Neves N.M., Mano J.F., Reis R.L.: Gellan gum injectable hydro
gels for cartilage tissue engineering applications: in vitro studies and preliminary in vivo evaluation. Tissue Eng. Part A 2010, 16: 343–353.
46. Lee M.W., Tsai H.F., Wen S.M., Huang C.H.: Photocrosslinkable gellan gum film as an antiadhesion barrier. Carbohyd. Polym. 2012, 90: 1132–1138.
47. Chang S.J., Huang Y.T., Yang S.C., Kuo S.M., Lee M.W.: In vitro properties of gellan gum sponge as the dental filling to maintain alve
olar space. Carbohyd. Polym. 2012, 88: 684–689.
48. Giavasis I., Harvey L.M., McNeil B.: Gellan Gum. Crit. Rev. Biotech
nol. 2000, 20: 177–211.
w 1984 r., a dwa lata później została ona opatento
wana przez Charlesa Hulla pod nazwą stereolitogra
fii [2]. Polegała ona na wytwarzaniu litych przed
miotów poprzez łączenie szeregu warstw materiału [3]. Substancja formowana była poddawana dzia
łaniu lasera UV, za pomocą którego nadawało się jej żądany kształt, kolor, teksturę oraz grubość, będą
ce cechami drukowanego obiektu [4]. Pierwsze dru
karki przestrzenne Hulla zdecydowanie przyczyniły się do zrewolucjonizowania wielu gałęzi gospodar
ki oraz stały się podwaliną prac zmierzających do przyszłego wykorzystania druku trójwymiarowego w naukach farmaceutycznych i medycznych.
Drukowanie 3D polega na formowaniu obiek
tów przestrzennych poprzez scalanie lub nanosze
nie kolejnych warstw odpowiedniego budulca. Do materiałów, z użyciem których druk 3D jest moż
liwy, zalicza się m.in. wszelkie tworzywa sztucz
ne, piasek, silikon, także biodegradowalne polime
ry, a ostatnio także biomateriały i żywe komórki.
Możliwe jest również drukowanie żywności, np.
czekoladowych figurek lub innych ozdób wyko
rzystywanych w cukiernictwie. Obecnie istnieje ponad dwadzieścia różnych metod druku trójwy
miarowego, które wykorzystują odmienne techniki drukowania. Każda z nich jest związana z inną roz
dzielczością i szybkością. Bazują one na szerokiej gamie materiałów. Technologia ta pozwala otrzy
mać trójwymiarowy obiekt o dowolnym kształ
cie zdefiniowanym elektronicznie przez plik CAD (Computer-Aided Design). Po przesłaniu przez komputer i odczytaniu pliku drukarka 3D formuje podstawę przedmiotu, poruszając głowicą w płasz
czyźnie x-y. Następnie, podążając za instrukcja
mi CAD, głowica przesuwa się pionowo wzdłuż osi z, drukując kolejne warstwy, jedna po drugiej [1, 5]. Początkowo technologia ta służyć miała głów
nie do produkcji prototypów, np. silników, karo
serii samochodowych, sprzętu AGD. Metoda taka
N
ieustająca konieczność opracowywania nowych leków skierowanych na konkretny cel terapeutyczny, przy jednoczesnej potrzebie stoso
wania spersonalizowanych dawek medykamentów, jest jednym z głównych zadań współczesnych nauk farmaceutycznych i medycznych. Szczególnie pro
dukcja leków uwzględniająca ściśle określone daw
ki jednej lub kilku substancji aktywnych dopaso
wanych do indywidualnych cech pacjenta, takich jak: wiek, płeć, inne przyjmowane leki, wymaga za
stosowania technologii odmiennych od dotychczas znanych w przemyśle farmaceutycznym [1]. Nie
zwykle ciekawym i obiecującym rozwiązaniem jest zastosowanie w tym celu druku trójwymiarowego (3D Printing, 3DPI). Założenia tej metody powstały Application of 3D printing in pharmacy · Production of medicines
incorporating specific amounts of one or more active substances tailored to individual characteristics of the patient, requires the use of different technologies than already known in the pharmaceutical industry.
Very promising solution is the use of 3D printing. Printing consists in forming objects by merging or applying successive layers of a suitable building material. Currently, 3D printers are becoming more common in medicine and life sciences. There are also specific examples of their use in pharmacy. In August 2015 there was some information that the first 3D-printed medication was approved by the US Food and Drug Administration (FDA). In addition, the source literature review shows that there are a number of scientific reports showing promising results of the implementation aspects of 3D printers in the production of drugs. These devices may be useful, eg. in the preparation of drug delivery systems.
Also, there were studies using printed by 3D tablets of various shapes and with different surface areas. The variety of forms obtained is not possible to obtain by the conventional technological methods.
Keywords: three-dimensional printing, Spritam®, drug delivery systems, printed tablets.
© Farm Pol, 2016, 72(1): 54–58