3D-tulostettavien sarveiskalvojen
biomateriaalit ja niiden soveltuvuus
kudoskorjaukseen
Turun yliopisto
Tietotekniikan laitos
TkK-tutkielma
Lääketieteellinen tekniikka ja terveysteknologia
Huhtikuu 2025
Sarianne Huhta
Turun yliopiston laatujärjestelmän mukaisesti tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin
OriginalityCheck -järjestelmällä.
TURUN YLIOPISTO
Tietotekniikan laitos
Sarianne Huhta: 3D-tulostettavien sarveiskalvojen biomateriaalit ja niiden sovel-
tuvuus kudoskorjaukseen
TkK-tutkielma, 25 s., 3 liites.
Lääketieteellinen tekniikka ja terveysteknologia
Huhtikuu 2025
3D-biotulostus tarjoaa uuden, lupaavan menetelmän keinotekoisten elinten ja kudos-
ten, kuten sarveiskalvojen, valmistamiseen. Keinotekoisten vaihtoehtojen kehittämi-
nen on keskeinen tutkimuskohde, koska luovutettujen sarveiskalvojen saatavuus on
rajallinen. Sarveiskalvo on verisuoneton kudos, jonka ansiosta se on erityisen hyvä
kohde 3D-biotulostukselle. Tämä teknologia mahdollistaa biomateriaalien ja solujen
tarkan kolmiulotteisen järjestelyn, jossa tulostettu rakenne luodaan kerros kerrok-
selta.
Tässä kirjallisuuskatsauksessa keskitytään 3D-tulostettujen sarveiskalvojen valmis-
tamiseen soveltuvien materiaalien arviointiin. Tutkimuksen kohteena ovat biomate-
riaalit, kuten bioyhteensopivat polymeerit ja hydrogeelit, joita voidaan hyödyntää
sarveiskalvon 3D-tulostuksessa. Lopuksi tarkastellaan sarveiskalvon kudoskorjauk-
sen mahdollisuuksia ja sen tuomia etuja.
Tutkielma käsittelee materiaalien ominaisuuksia, jotka ovat olennaisia ihmisen sar-
veiskalvon korvaamisessa. Näitä ominaisuuksia ovat esimerkiksi läpinäkyvyys ja so-
lukasvua edistävät ominaisuudet. Kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on selvittää 3D-
tulostettavien materiaalien yhteensopivuutta sareiskalvoon ja tunnistaa haasteet,
jotka tulee ratkaista ennen materiaalien kliinistä soveltamista.
Kirjallisuuskatsaukseen valikoitui hakujen jälkeen kymmenen julkaisua. Keskeiset
tutkimustulokset osoittavat, että hydrogeelit ja kollageeni, täyttävät monet sarveis-
kalvon biologiset ja optiset vaatimukset. Niiden käyttö sellaisenaan vaatii kuitenkin
edelleen kehittämistä, erityisesti mekaanisten ominaisuuksien osalta.
Tehdyn kirjallisuuskatsauksen perusteella voidaan päätellä, että materiaalien yh-
distäminen voi olla ratkaisu nykyisiin haasteisiin. Kudoskorjaus voi tulevaisuudessa
tarjota merkittävän ratkaisun elinluovutuspulaan, sillä sen avulla kehitellyt keino-
tekoiset kudokset ja elimet voivat korvata puuttuvat luovuttajaelimet. Toimenpide-
suosituksena esitetään, että tulevissa tutkimuksissa tulisi keskittyä materiaalin me-
kaanisten ja biologisten ominaisuuksien parantamiseen sekä kliinisten tutkimusten
aloittamiseen niiden soveltuvuuden arvioimiseksi.
Asiasanat: 3D-tulostaminen, sarveiskalvo, biomateriaalit, sarveiskalvokorjaus, kol-
lageeni, hydrogeeli
Sisällys
1 Johdanto 1
2 Sarveiskalvon toiminta 4
2.1 Sarveiskalvon anatomia ja tehtävät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Sarveiskalvon vaurioituminen ja sairaudet . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 3D-tulostaminen ja biomateriaalit lääketieteessä 8
3.1 3D-biotulostusprosessit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 Sarveiskalvolle sopiva 3D-tulostusprosessi . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3 Yleisimmät biomateriaalit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Biomateriaalien valintakriteerit sarveiskalvoon 13
4.1 Sarveiskalvoon soveltuvat biomateriaalit . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 Haasteet materiaalin valinnassa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 3D-tulostetut sarveiskalvot kudoskorjauksessa 19
6 Pohdinta 22
7 Yhteenveto 24
Lähdeluettelo 26
Liitteet
i
A Tutkielman keskeisten lähteiden tietoananalyysi A-1
ii
Kuvat
1.1 Tiedonhakuprosessi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Silmän rakenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Sarveiskalvon rakenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.1 Yleisimmät 3D-biotulostustekniikat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
iii
Taulukot
3.1 3D-biotulostusmenetelmät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
iv
1 Johdanto
Sarveiskalvo on silmän läpinäkyvä etuosa, joka taittaa valoa ja toimii silmän ensim-
mäisenä suojakerroksena. Jos tämä suoja vaurioituu esimerkiksi vamman tai infek-
tion seurauksena, ja sitä ei voida hoitaa silmätipoilla tai antibiooteilla, on kudoksen
siirto ainoa keino estää sokeutuminen. [1] [2]
Vaikka alkuperäinen sarveiskalvosairaus, kuten sarveiskalvon tulehdus, olisi hoi-
dettu onnistuneesti, silmään voi silti jäädä pysyviä muutoksia. Näitä ovat esimerkik-
si sarveiskalvovauriot ja sameus. Tällöin sarveiskalvon siirto on usein tarpeen, jotta
näkö voidaan palauttaa selkeäksi. [3] Tämä korostaa tarvetta kehittää entistä tehok-
kaampia sarveiskalvosiirtoja ja kudoskorjauksen sovelluksia, kuten 3D-tulostusta.
Sarveiskalvon sairaudet ovat yksi suurimmista sokeuteen johtavista syistä. Noin
10 miljoonaa ihmistä kärsii molempien silmien sarveiskalvon sokeudesta. Nykyisin
tätä sokeutta hoidetaan pääasiassa sarveiskalvon siirroilla, joita saadaan vain elin-
luovuttajilta. Valitettavasti elinluovuttajilta saatujen sarveiskalvojen määrä on riit-
tämätön tarpeeseen nähden - alle yksi 70:stä potilaasta saa tarvittavan siirteen.
Luovuttajien puute onkin johtanut siihen, että tutkijat etsivät vaihtoehtoisia keino-
ja sarveiskalvon korvaamiseen. Sarveiskalvon siirrossa on edelleen suuria haasteita,
kuten alkuperäisen sarveiskalvon muodon ja silmän näkökyvyn palauttaminen. [1],
[2]
3D-biotulostus tarjoaa uuden, lupaavan lähestymistavan sarveiskalvon korvaami-
seen. Sen avulla voidaan valmistaa yksilöllisiä, potilaskohtaisia sarveiskalvosiirteitä.
LUKU 1. JOHDANTO 2
Lisäksi tällä tekniikalla voidaan luoda yksi- tai monikerroksisia sarveiskalvoja, joissa
rakenne ja valon taittumiskyky voidaan suunnitella tarkasti. [1] 3D-tulostus otettiin
nopeasti käyttöön terveydenhuollossa, koska sen avulla voidaan valmistaa yksilöllisiä
komponentteja edullisesti ja nopeasti [4].
Tämän tutkielman aiheena on selvittää, mitkä biomateriaalit sopivat parhaiten
3D-tulostetulle sarveiskalvolle ja mitä haasteita materiaalin valintaan liittyy. Lisäk-
si tutkielma käsittelee sitä, miten 3D-tulostettuja sarveiskalvoja voidaan käyttää
kudoskorjauksessa. Tutkimuskysymykset muodostuivat seuraavalla tavalla:
Tutkimuskysymys 1: Mitkä biomateriaalit soveltuvat parhaiten 3D-tulostettavien
sarveiskalvojen valmistukseen?
Tutkimuskysymys 2: Mitä haasteita liittyy materiaalien valintaan 3D-tulostettavien
sarveiskalvojen valmistuksessa?
Tutkimuskysymys 3: Miten 3D-tulostettuja sarveiskalvoja voidaan käyttää kudos-
korjauksessa?
Tutkielma on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Luvussa 2 keskitytään sarveis-
kalvon toiminnan ja rakenteen kuvaamiseen, ja luvussa 3 tarkastellaan erilaisia 3D-
tulostusmenetelmiä sekä yleisimpiä biomateriaaleja. Tutkimuskysymyksiin 1 ja 2
vastataan luvussa 4. Tutkimuskysymykseen 3 vastataan luvussa 5, ja luvussa 6 poh-
ditaan, miten sarveiskalvosiirteet voivat vaikuttaa elinluovutusten tarpeeseen tule-
vaisuudessa sekä vertaillaan 3D-biotulostuksen etuja perinteisiin kudossiirteisiin.
Tiedonhaku toteutettiin viiteen eri tietokantaan: PubMed, Web of Science, IEEE
Xplore, ACM Digital Library ja Google Scholar. Tutkimuskysymyksiin 1 ja 2 ha-
ku toteutettiin hakulausekkeella ((3D-print* OR 3D-bioprint*) AND (cornea OR
corneal) AND biomaterial*). Tutkimuskysymykseen 3 haku suoritettiin hakulausek-
keella ((cornea OR corneal OR eye) AND "tissue engineering"AND (3D-print* OR
3D-bioprint*)). Löydetyt artikkelit käytiin läpi seuraavilla valintakriteereillä: tekstin
tyyppi oli tieteellinen artikkeli tai kirja, joka sisältää kuvauksen biomateriaaleista
LUKU 1. JOHDANTO 3
ja sarveiskalvon 3D-tulostamisesta. Maksulliset artikkelit ja opinnäytetyöt jätettiin
valinnan ulkopuolelle. Aineistot on taulukoitu liitteessä A, jossa ne ovat aakkosjär-
jestyksessä ja järjestysnumeroitu. Liitteessä A on nähtävillä julkaisujen numerointi,
tekijät, vuosi, nimi, maa, julkaisun tarkoitus, julkaisutyyppi ja keskeiset tulokset.
Tutkimusmenetelmä voidaan jakaa kahteen vaiheeseen, kuten kuvassa 1.1 esi-
tetään. Ensimmäisessä vaiheessa artikkeleita poissuljettiin otsikon ja tiivistelmän
perusteella. Toisessa vaiheessa luettiin koko artikkeli ja poistettiin epäolennaiset ar-
tikkelit. Toisen vaiheen jälkeen jäljelle jäi yhteensä kymmenen artikkelia: neljä ar-
tikkelia, jotka vastasivat tutkimuskysymyksiin 1 ja 2 ja kolme artikkelia, jotka vas-
tasivat tutkimuskysymykseen 3 sekä kolme artikkelia, jotka vastasivat kaikkiin tut-
kimuskysymyksiin. Kuvassa 1.1 on pilkulla erotettuna ensimmäinen ja toinen haku.
Ensimmäinen haku kohdistuu tutkimuskysymyksiin 1 ja 2 ja toinen haku tutkimus-
kysymykseen 3.
Kuva 1.1: Tiedonhakuprosessi.
2 Sarveiskalvon toiminta
Silmän etuosassa sijaitseva sarveiskalvo (engl. cornea) koostuu läpinäkyvästä ku-
doksesta, joka ei sisällä verisuonia. Sarveiskalvon tärkeimmät tehtävät ovat sisäis-
ten rakenteiden suojaaminen sekä silmään tulevan valon ohjaaminen ja taittaminen
verkkokalvolle, jossa valon muodostama kuva muunnetaan hermoimpulsseiksi ja vä-
litetään aivoille näköhavainnon muodostamiseksi. Sarveiskalvo suojaa silmää tuleh-
duksilta ja vastaa suurimmasta osasta silmän taittovoimasta. [5],[6] Sarveiskalvon
toiminnan kannalta sen läpinäkyvyys ja rakenteen säännöllisyys ovat erityisen tär-
keitä [7]. Kuvassa 2.1 on esitetty silmän rakenne sivulta katsottuna. Sarveiskalvo on
muodoltaan kupera mutta ei pallopintainen [5], kuten kuvassa 2.1 näkyy.
Kuva 2.1: Silmän rakenne (cornea = sarveiskalvo, lens = mykiö, sclera = kovakalvo,
retina = verkkokalvo, vitreous body = lasiainen, optic nerve = näköhermo). Ryan
Kissinger, National Institute of Allergy and Infectious Diseases. Kuva lisensoitu
CC BY 1.0 International -lisenssillä (https://www.flickr.com/photos/nihgov/
33294085198).
2.1 SARVEISKALVON ANATOMIA JA TEHTÄVÄT 5
2.1 Sarveiskalvon anatomia ja tehtävät
Sarveiskalvo muodostuu epiteelisoluista, sarveiskalvon stroomasta ja endoteelisoluis-
ta. Epiteelin ja strooman välissä on Bowmanin kerros, ja strooman ja endoteelin vä-
lissä on Descementin kalvo. Sarveiskalvon kerrokset ja kalvot on esitetty kuvassa 2.2.
Näistä epiteelikerros on sarveiskalvon uloin kerros. Epiteelikerros muodostuu 5-7 so-
lukerroksesta. Sen pinnassa olevat solut uusiutuvat 7-10 päivän välein, mikä auttaa
korjaamaan vaurioita ja ylläpitämään suojakerrosta. Epiteelikerros toimii suojana
kemiallisia aineita ja taudinaiheuttajia vastaan. Lisäksi se antaa sarveiskalvolle si-
leän pinnan, joka parantaa valon taittumista. [5], [7]
Läpinäkyvän strooman tehtävänä on tuottaa suurin osa silmän taittovoimas-
ta. Strooma koostuu keratosyyteistä, sidekudoksen soluista ja soluväliaineesta. Se
muodostaa pääosan sarveiskalvon rakenteesta. Strooman vieressä sijaitsee Bowma-
nin kalvo, joka ei kuitenkaan ole varsinainen kalvo, vaan soluton tiivistymä. Sekä
strooma että Bowmanin kerros auttavat sarveiskalvoa säilyttämään muotonsa. [5]
Kuva 2.2: Sarveiskalvon rakenne. Keratomania. Kuva lisensoitu CC BY 2.0 Interna-
tional -lisenssillä (https://www.flickr.com/photos/keratomania/8715075788).
Endoteelikerros koostuu vain yhdestä solukerroksesta, jonka solut ovat aineen-
vaihdunnaltaan aktiivisia. Endoteelin tehtävänä on poistaa vettä sarveiskalvon stroo-
masta, jotta sarveiskalvon läpinäkyvyys säilyisi. Toisin kuin epiteelisolut, strooma
2.2 SARVEISKALVON VAURIOITUMINEN JA SAIRAUDET 6
ja endoteeli eivät kykene uusiutumaan. [5], [7] Endoteelisolut ylläpitävät Descemen-
tin kalvoa tuottamalla siihen uusia rakenneosia. Descementin kalvo on joustava ja
toimii endoteelisolujen tukipintana. [5]
2.2 Sarveiskalvon vaurioituminen ja sairaudet
Silmään kohdistuvat vammat voivat aiheuttaa pysyviä vaurioita silmän valoa tait-
taville rakenteille, kuten sarveiskalvolle. Tämä voi pahimmillaan johtaa pysyvään
näön heikkenemiseen. Yleisimpiä silmävammoja aiheuttaa vierasesine, joka päätyy
silmään. Lisäksi silmää voivat vahingoittaa terävät ja tylpät iskut, syövyttävät ke-
mikaalit sekä fysikaaliset tekijät, kuten ultraviolettisäteily. Pienet roskat ja pöly on
usein helppo poistaa silmästä. Jos lika on kuitenkin päässyt sarveiskalvolle asti, sen
poistaminen edellyttää vakavampia toimenpiteitä, kuten sarveiskalvon siirtoa. [8]
Sarveiskalvorappeuma eli sarveiskalvon dystrofia on etenevä sairaus, joka vaikut-
taa molempiin silmiin. Sarveiskalvon dystrofiat vaikuttavat kolmella eri tasolla: sar-
veiskalvon etuosassa, stroomassa ja takaosassa. Sairaus voi esiintyä kaikissa sarveis-
kalvon kerroksissa: epiteelikerroksessa, Bowmanin kerroksessa, stroomassa, Desce-
mentin kalvossa tai endoteelikerroksessa. Sarveiskalvorappeumien oireet vaihtelevat
lievästä näönheikkenemisestä sokeuteen. [9] Toinen yleinen sarveiskalvon sairaus on
sarveiskalvon kartiorappeuma eli keratokonus, joka aiheuttaa sarveiskalvon ohene-
mista ja muodonmuutosta. Sarveiskalvon kartiorappeuma voi johtaa näöntarkkuu-
den heikentymiseen tai epäsäännölliseen hajataittoon. [10]
Sarveiskalvotulehdus eli keratiitti on sairaus, jonka riskitekijöitä ovat piilolinssien
käyttö, silmävammat ja silmän pinnan sairaudet. Sen aiheuttajina ovat bakteerit,
sienet, loiset ja virukset. Pitkälle edennyt sarveiskalvotulehdus voi johtaa näön heik-
kenemiseen, sokeuteen tai jopa silmän pysyvään vaurioitumiseen. Sarveiskalvotuleh-
dus on maailmanlaajuisesti viidenneksi yleisin syy sokeutumiselle. [11] Silmän akan-
tamebatulehdus, jonka aiheuttaa akantameba-alkueläin, voi myös aiheuttaa tuleh-
2.2 SARVEISKALVON VAURIOITUMINEN JA SAIRAUDET 7
duksen sarveiskalvolla. Akantameba voi aiheuttaa tulehduksen, jos sarveiskalvossa
on esimerkiksi pintarikko. Akantamebatulehdus on harvinainen ja esiintyy useimmi-
ten piilolinssien käyttäjillä. Oireita ovat näön heikkeneminen ja sidekalvon verestys
sekä sarveiskalvon tulehtuminen. [12]
Sairauksien lisäksi sarveiskalvon toimintaan voi vaikuttaa sen rakenteellinen vir-
he, joka aiheuttaa hajataittoa. Hajataitto vääristää verkkokalvolle muodostuvaa ku-
vaa, mikä heikentää näöntarkkuutta. Muita sarveiskalvon epämuodostuman aiheut-
tamia oireita ovat heijastumat näkökentässä ja pääkipu. Sarveiskalvon rakenteellinen
virhe on usein perinnöllinen, mutta voi johtua myös onnettomuudesta tai kaihileik-
kauksesta. [13]
3 3D-tulostaminen ja biomateriaalit
lääketieteessä
Viime vuosina 3D-tulostus on noussut kustannustehokkaaksi tekniikaksi lääketie-
teessä, koska sitä voidaan käyttää esimerkiksi elinsiirrossa tai leikkaussuunnittelus-
sa. Lääketieteessä 3D-tulostamisen etuna on yksilöllisemmän hoitotavan mahdol-
listaminen potilaille, sillä 3D-tulostettuja keinokudoksia ja lääkinnällisiä laitteita
voidaan muokata jokaisen potilaan tarpeiden mukaan. Siten 3D-biotulostusta voi-
daan käyttää esimerkiksi sarveiskalvon tulostamiseen. 3D-biotulostamisessa käyte-
tään biotulostusmustetta, jolla yhdistetään biologiset materiaalit ja solut. [14]
Regeneratiivisessa lääketieteessä käytetään laajalti eri biomateriaaleja, sillä ne
tukevat solujen elinsiirtoa säilyttäen solujen elinkelpoisuuden ja aktiivisuuden. Li-
säksi biomateriaalit tukevat solujen toimintaa, kuten kudoksen luonnollista para-
nemista ja integroitumista. Kudosteknologiassa integroituminen tarkoittaa bioma-
teriaalin yhdistymistä ympäröivään kudokseen. Edellä mainittujen ominaisuuksien
ansiosta biomateriaalit tarjoavat lupaavan menetelmän kudoskorjaukseen regenera-
tiivisessa lääketieteessä. [15]
3.1 3D-biotulostusprosessit
3D-biotulostuksessa yhdistetään eläviä soluja, kasvua edistäviä aineita ja biomate-
riaaleja toimivien kudosten valmistamiseksi. Näin luodaan toimivia kudoksia, jotka
3.1 3D-BIOTULOSTUSPROSESSIT 9
jäljittelevät kehon luonnollisia rakenteita. [16], [17] 3D-biotulostuksen kolme käyte-
tyintä tekniikkaa ovat mustesuihku (engl. inkjet), suulakepuristus (engl. extrusion)
ja laseravusteinen biotulostus (engl. laser assisted bioprinting). Mustesuihkutulostus
perustuu biomusteen kerrostamiseen. Suulakepuristuksessa biomuste saadaan vir-
taamaan kerroksittain ja laseravusteisessa biotulostuksessa tulostuksen ohjaaminen
tapahtuu laserin avulla. [16] Näiden menetelmien tulostusprosessit on esitetty kuvas-
sa 3.1. Menetelmien erityispiirteet vaikuttavat menetelmän valintaan ja lopputulok-
seen. Ennen tulostamista täytyy suunnitella digitaalinen malli, joka voidaan tehdä
esimerkiksi tietokonetomografian, magneetti- tai röntgenkuvauksen avulla. [17]
Kuva 3.1: Yleisimmät 3D-biotulostustekniikat. Greymi Tan, Nicole Ioannou, Essy-
rose Mathew, Aristides D. Tagalakis, Dimitrios A. Lamprou, Cynthia Yu-Wai-Man.
Kuva lisensoitu CC BY 4.0 International -lisenssillä (https://ars.els-cdn.com/
content/image/1-s2.0-S0378517322006482-gr2_lrg.jpg).
Sulatetun kerrostuksen mallinnus (engl. fused deposition modeling, FDM) on
3D-tulostustekniikka, jota käytetään tukirakenteiden valmistamiseen. Menetelmässä
materiaali, esimerkiksi kiinteä lanka, sulatetaan kuumalla suuttimella tai syötetään
nesteenä suulakepuristimeen. FDM:n etuina ovat orgaanisten liuotinten puuttumi-
nen, käytetyn polymeerin nopea jähmettyminen ja syntyvän rakenteen eheys. Tämä
mahdollistaa monisoluisten kudosten ja elinten valmistuksen. Tulostuksessa alustaa
lasketaan jokaisen kerroksen valmistuttua, jotta seuraava kerros voidaan muodostaa
edellisen päälle. FDM:n kanssa yhteensopivia materiaaleja ovat polykaprolaktoni
(PCL), polyaktidit (PLA), polyeetterieetteriketoni (PEEK) ja polyvinyylialkoholi
(PVA). [18]
Stereolitografia (engl. stereolithography, SLA) on suosittu biotulostustekniik-
3.1 3D-BIOTULOSTUSPROSESSIT 10
ka, jota voidaan käyttää tarkkojen ja monimutkaisten osien, kuten luu- ja her-
mokudosten valmistamiseen. SLA:n etuna ovat muotoilun mukautuvuus ja mene-
telmän monipuolisuus. Yksi stereolitografian sovelluksista on valopohjainen bio-
tulostaminen. Tämä menetelmä mahdollistaa pienempien tulosteiden valmistami-
sen sekä nopean ja erittäin tarkan tulostamisen muihin menetelmiin verrattuna.
SLA luo rakennelmia käynnistämällä kemiallisia reaktioita, jotka kovettavat bio-
mustetta vain valaistulla alueella. Kerrosten kovettamiseen voidaan käyttää laseria
tai digitaalista valonkäsittelyä (engl. digital light processing, DLP). SLA:n kanssa
yhteensopivia materiaaleja ovat poly(D,L)-laktidi (PDLLA), polypropyleenifuma-
raatti (PPF), poly(etyleeniglykoli)diakrylaatti (PEGDA) ja gelatiinimetakrylaatti
(GeIMA)-biomusteet. [18]
Suora mustetulostus (engl. direct ink writing, DIW) on 3D-tulostustekniikka, jos-
sa materiaalit puristetaan suuttimen läpi kerros kerrokselta alustalle. Tämä tapah-
tuu samalla tavalla kuin FDM-tulostustekniikassa. Tulostettavan esineen mekaaniset
ominaisuudet tehostuvat, koska UV-kovetuskone kovettaa materiaalit ja lisää niiden
kestävyyttä. DIW on monipuolinen tulostusmenetelmä, koska sen kanssa yhteenso-
pivia materiaaleja on laaja valikoima, esimerkiksi keramiikka, hydrogeelit, muovi ja
jopa elävät solut. DIW-tulostustekniikassa käytettyjen musteiden tulee jähmettyä
nopeasti ja säilyttää rakenteellinen muotonsa tulostusprosessin päätyttyä. [18]
Laser-ohjattu suora tulostus (engl. laser-guided direct writing, LGDW) on la-
seravusteinen biotulostusmenetelmä, jossa solut ohjataan vastaanottavalle alustalle
laserin avulla. Kohdistetulla laserilla solut voidaan asettaa tarkasti, jopa mikromet-
rien tarkkuudella, useille erilaisille materiaalipinnoille. LGDW:n kanssa yhteensopi-
via materiaaleja ovat hydrogeelimusteet ja GeIMA-biomuste, jotka mahdollistavat
solujen tarkan sijoittamisen ja rakenteiden muodostamisen. [18]
Laseravusteinen biotulostusmenetelmä (engl. laser-assisted bioprinting, LaBP)
hyödyntää laserindusoitua siirtotekniikkaa (engl. laser-induced-forward-transfer, LIFT),
3.2 SARVEISKALVOLLE SOPIVA 3D-TULOSTUSPROSESSI 11
jossa soluja siirretään alustalle laservalon avulla. Tällä menetelmällä voidaan raken-
taa kantasolupohjaisia tukirakenteita, jotka jäljittelevät sarveiskalvon rakennetta ja
toimintaa. [3] Menetelmän avulla kantasoluja, joilla on kyky erilaistua toisenlaisiksi
solutyypeiksi, voidaan ohjata kehittymään epiteelisoluiksi ja keratosyyteiksi. LaBP-
tekniikan etuna on, että se suojaa soluja suuttimeen kohdistuvilta jännityksestä
aiheutuvilta vaurioilta, mikä parantaa solujen elinvoimaisuutta. [16]
Mustesuihkutulostus (engl. inkjet) on 3D-tulostustekniikka, joka mahdollistaa
pienten pisaroiden purkautumisen suuttimesta säilyttäen solujen elinkyvyn. Pisarat
purkautuvat suuttimesta joko jatkuvana virtana tai yksitellen. Kudoskorjaukseen so-
pii paremmin menetelmä, jossa pisarat purkautuvat yksitellen. Sähkömagneettiset
ja lämpöön perustuvat inkjet-menetelmät voivat vahingoittaa soluseinämää, minkä
takia niitä ei käytetä kudoskorjauksessa. Näitä tekniikoita voidaan kuitenkin hyö-
dyntää solujen elinvoimaisuuden parantamisessa. [18]
3.2 Sarveiskalvolle sopiva 3D-tulostusprosessi
Sarveiskalvolle yleisimmin käytetty tekniikka on suulakepuristus, koska se on edulli-
nen vaihtoehto ja helposti saatavilla. Sarveiskalvon eri kerrosten tulostamiseen voi-
daan kuitenkin valita myös muita tulostusmenetelmiä. Epiteelikerroksen tulostuk-
sessa käytetään suulakepuristusta ja laseravusteista biotulostusta. Strooman tulos-
tuksessa voidaan hyödyntää laseravusteista biotulostusta, suulakepuristusta ja mus-
tesuihkupohjaista tekniikkaa. Endoteelikerroksen tulostukseen soveltuu parhaiten
suulakepuristus. [16], [17] Taulukossa 3.1 kuvataan eri 3D-tulostusmenetelmät ja
niiden käyttötekniikat. Taulukossa 3.1 esitetään myös, mitkä menetelmät sopivat
parhaiten sarveiskalvon eri kerroksiin.
3.3 YLEISIMMÄT BIOMATERIAALIT 12
Taulukko 3.1: 3D-biotulostusmenetelmät
Tekniikka Tulostusmenetelmä Sopivuus sarveiskalvolle
suulakepuristus FDM, DIW strooma, epiteeli, endoteeli
mustesuihku inkjet strooma
laseravusteinen LGDW, LaBP, SLA strooma, epiteeli
3.3 Yleisimmät biomateriaalit
Biomateriaalin lääketieteellinen tarkoitus kudoskorjauksessa on toimia hoidollisena
aineena, esimerkiksi kudosten korjaamisessa ja uusimisessa, tai diagnostisena ainee-
na, esimerkiksi kuvantamisessa [3]. Yksi tärkeimmistä biomateriaalien ryhmistä on
polymeeriset biomateriaalit, jotka voidaan jakaa luonnollisiin ja synteettisiin bioma-
teriaaleihin. Yleisimmät synteettiset biomateriaalit ovat polyetyleeniglykoli (engl.
poly(ethylene glycol), PEG), polykaprolaktoni (engl. polycaprolactone, PCL), poly-
vinyylialkoholi (engl. poly(vinyl alcohol), PVA) sekä polymaitohapon ja polyglyko-
lihapon kopolymeeri (engl. poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA). [15], [19] Synteet-
tisten polymeerien etuna on niiden joustavuus, joka mahdollistaa solutoimintojen,
kuten kasvun ja erilaistumisen, systemaattisen sääntelyn [15].
Yleisimmät luonnolliset biomateriaalit ovat kollageeni, gelatiini, gelatiinimetak-
rylaatti (GeIMA), alginaatti, kitosaani, hyaluronihappo, agaroosi ja selluloosa. Näis-
tä biomateriaaleista kaikkia muita paitsi selluloosaa voidaan käyttää sarveiskalvon
tulostuksessa. Kahdesta tai useammasta biomateriaalista voidaan muodostaa eri-
laisia yhdistelmiä materiaalin kestävyyden parantamiseksi ja rakenteen vahvistami-
seksi. Luonnollisten biomateriaalien etuna on niiden samankaltaiset ominaisuudet
ihmisen soluväliaineen kanssa. [17] Lisäksi kehon entsyymit pystyvät hajottamaan
luonnollisia biomateriaaleja helposti, mikä tekee niistä yhteensopivia ihmiskehon
kanssa [15].
4 Biomateriaalien valintakriteerit
sarveiskalvoon
Tässä luvussa tarkastellaan tutkimuskysymyksiä 1 ja 2 aineistoon pohjautuen. Aluk-
si käsitellään 3D-tulostettujen sarveiskalvojen valmistukseen soveltuvia materiaale-
ja ja niiden vaatimuksia materiaalivaihtoehtoina, vastaten tutkimuskysymykseen 1.
Tämän jälkeen käydään läpi materiaalivaihtoehtojen käytön haasteita ja vastataan
tutkimuskysymykseen 2. Näin muodostetaan kokonaiskuva aineistosta nousevista
keskeisistä löydöksistä, tarkastellen niitä tutkimuskysymysten näkökulmasta.
Sarveiskalvorakenteiden kehittämisessä ei riitä, että rakenne muistuttaa ulko-
näöltään luonnollista sarveiskalvoa. On myös tärkeää, että 3D-tulostettavat bioma-
teriaalit jäljittelevät sarveiskalvon luonnollista biokemiallista ympäristöä, joka sisäl-
tää esimerkiksi solujen toimintaa tukevia kasvutekijöitä. Tämä mikroympäristö on
keskeinen solujen toiminnan ja rakenteen säilymisen kannalta. Sen jäljittely on tärke-
ää, jotta keinotekoiset sarveiskalvot voivat toimia luonnollisen sarveiskalvon tavoin.
[20], [21]
Sarveiskalvon keskeiset ominaisuudet, kuten läpinäkyvyys, mekaaninen kestä-
vyys ja kaarevuus, ovat tärkeitä tekijöitä, jotka on huomioitava sarveiskalvon tu-
lostamisessa. Läpinäkyvyys on erityisen tärkeää, jotta valo pääsee läpäisemään sar-
veiskalvon ja kulkeutumaan verkkokalvolle näköhavainnon muodostamiseksi. Esi-
merkiksi hydrogeeli täyttää tämän vaatimuksen ja on siten sopiva materiaalivalinta
4.1 SARVEISKALVOON SOVELTUVAT BIOMATERIAALIT 14
sarveiskalvolle. Hydrogeelin hydrofiiliset polymeerit sitovat vettä, mikä edistää va-
lon läpäisykykyä ja ylläpitää soluille suotuisaa elinympäristöä. Lisäksi hydrogeelin
ristikkorakenne, joka muodostuu polymeeriketjujen välisistä sidoksista, varmistaa
materiaalin muodon säilymisen veden sitomisen aikana, mikä on olennaista sarveis-
kalvon mekaaniselle ja optiselle toiminnalle. [3], [20]
Sarveiskalvon mekaaninen kestävyys on toinen tärkeä ominaisuus, sillä sen on
suojattava silmää vierasaineilta ja taudeilta. Tulostetun sarveiskalvon on oltava riit-
tävän vahva, jotta se kestää kirurgiset toimenpiteet ja säilyttää silmän sisäisen ta-
sapainon. Lisäksi sarveiskalvon tulee yhdistyä ympäröivään kudokseen siten, että se
pysyy paikoillaan, eikä heikenny tai irtoa ajan myötä. [3], [20]
Kolmas tärkeä ominaisuus on sarveiskalvon kyky ohjata ja taittaa valoa, mikä
perustuu sen kaarevaan rakenteeseen. Tulostetun sarveiskalvon on vastattava tarkas-
ti luonnollisen sarveiskalvon kaarevuutta, jotta se säilyttää tarvittavan taittovoiman
ja toimivuuden. [3], [21]
4.1 Sarveiskalvoon soveltuvat biomateriaalit
Sarveiskalvoon valittavan biomateriaalin tavoitteena on jäljitellä sen rakennetta ja
luonnollisia ominaisuuksia mahdollisimman tarkasti [3]. Aineiston [19] perusteel-
la käytetyimmät biomateriaalit sarveiskalvon 3D-tulostamisessa ovat luonnolliset ja
synteettiset biohajoavat polymeerit. Luonnolliset polymeerit, kuten kollageeni, ge-
latiini, alginaatti ja hyaluronihappo, soveltuvat erinomaisesti sarveiskalvolle niiden
solutoimintaa tukevien ominaisuuksien ansiosta, mikä edistää solujen kasvua ja kiin-
nittymistä ympäröivään kudokseen. Synteettiset polymeerit, kuten PEG, PCL, PVA
ja PLGA, ovat myös käytössä, mutta niiden bioyhteensopivuus on luonnollisia po-
lymeerejä heikompi. [19]
Aineistojen [3], [17], [19], [20] ja [21] pohjalta voidaan sanoa, että kollageeni on
käytetyin biomateriaali sarveiskalvon tulostamisessa, sillä se on sarveiskalvon so-
4.1 SARVEISKALVOON SOVELTUVAT BIOMATERIAALIT 15
luväliaineen pääkomponentti, mikä tekee siitä luonnollisen materiaalivalinnan tälle
kudokselle. Kollageenin merkittävä etu on sen matala immunogeenisyys, eli se ei
aiheuta voimakasta reaktiota kehon puolustusjärjestelmässä. Biomateriaalien bio-
yhteensopivuus kehon kanssa on ratkaiseva ominaisuus, sillä se vähentää tulehdus-
reaktioiden riskiä ja parantaa tulostetun sarveiskalvon integraatiota kudokseen. [17],
[19] Näiden ominaisuuksien ansiosta kollageeni sekä muut bioyhteensopivat materi-
aalit, kuten gelatiini, alginaatti ja kitosaani, soveltuvat erityisen hyvin sarveiskalvon
tarpeisiin [19].
Hydrogeelit ovat tutkimustulosten Zhangin ym. (2023) ja Duffyn ym. (2021)
mukaan lupaavia materiaaleja sarveiskalvon 3D-tulostuksessa niiden monipuolisten
ominaisuuksien ansiosta. Esimerkiksi poly-ϵ-lysiini (pϵK)-hydrogeeli on läpinäkyvä
ja helposti käsiteltävä materiaali. Lisäksi (pϵK)-hydrogeeli sitoo hyvin vettä, mikä
tekee siitä potentiaalisen vaihtoehdon sarveiskalvolle. Toinen merkittävä hydrogee-
linen vaihtoehto on gellaanikumi, luonnollinen polysakkaridi, jonka ominaisuudet
muistuttavat gelatiinia. Sen etuja ovat korkea sulamispiste, erinomainen läpinäky-
vyys ja vahva geeliytymiskyky sekä hyvä liukoisuus veteen, mikä tekee siitä mahdol-
lisen korvaajan gelatiinille. Vahva geeliytymiskyky mahdollistaa solujen tehokkaan
kiinnittymisen kudokseen ja kosteuden säilymisen. Lisäksi hydrogeelit edistävät sar-
veiskalvon epiteelisolujen kasvua ja soveltuvat erinomaisesti kudoskorvikkeiksi, sillä
ne voivat korvata vaurioituneita kudoksia ja edistää kudosten uusiutumista. Tämä
tekee hydrogeeleistä monipuolisen ja tehokkaan biomateriaalin. [20], [22]
Kirjallisuuskatsauksen aineistosta [20] käy ilmi, että GeIMA-hydrogeeli ja sen
yhdistelmät, kuten soluväliaine-gelatiini-metakryloyyli (engl. extracellular matrix/-
gelatin methacryloyl, CECM-GeIMA), tarjoavat lupaavia ominaisuuksia sarveiskal-
vosovelluksiin. GeIMA:n ja CECM:n yhdistelmä luo ainutlaatuisen mikroympäris-
tön, joka mahdollistaa sarveiskalvorakenteiden valmistamisen ja niiden mekaanisten
ominaisuuksien muokkaamisen. Yhdistelmähydrogeelit parantavat materiaalin muo-
4.2 HAASTEET MATERIAALIN VALINNASSA 16
donmuutoksen kestävyyttä ja lisäävät joustavuutta, mikä tekee niistä lupaavan vaih-
toehdon sarveiskalvojen valmistukseen. Lisäksi CECM-GeIMA:n valonläpäisykyky
on parempi verrattuna useimpiin muihin keinotekoisiin sarveiskalvoihin, mikä lisää
sen soveltuvuutta kudoskorjauksessa. [20]
Tulostetun sarveiskalvon kovuuden varmistamiseksi voidaan aineiston [3] perus-
teella käyttää polymetyylimetakrylaattia (engl. polymethylmethacrylate, PMMA) ja
poly-2-hydroksietyylimetakrylaattia (engl. poly(hydroxyethyl methacrylate), pHE-
MA). Nämä materiaalit ovat yleisesti käytettyjä biomateriaaleja keratoproteeseissa.
Niillä on kuitenkin merkittäviä rajoituksia, sillä nämä materiaalit eivät ole yhteen-
sopivia elävän kudoksen kanssa, mikä tekee niiden käytöstä haasteellista. Esimer-
kiksi PMMA:n ja pHEMA:n integroituminen silmäkudokseen on vaikeaa, koska ne
koostuvat täysin synteettisestä materiaalista. [3]
4.2 Haasteet materiaalin valinnassa
Yksi suurimmista haasteista 3D-tulostetuissa biomateriaaleissa aineistojen perus-
teella on solujen elinkelpoisuuden ja lisääntymiskyvyn säilyttäminen ilman, että tu-
lostettavuus heikkenee [21], [23]. Täysin synteettisistä materiaaleista valmistettujen
biomateriaalien heikkoutena on niiden huono bioyhteensopivuus elävän kudoksen
kanssa. Erityisesti uuden kudoskerroksen muodostuminen on haastavaa, sillä mate-
riaali voi siirtyä helposti pois paikaltaan, ellei niitä kiinnitetä esimerkiksi ompeleilla
tai kudosliimoilla. Lisäksi näiden kiinnityskeinojen pysyvyys heikkenee ajan myötä,
mikä voi aiheuttaa silmäkudoksen ärsytystä tai eroosiota. [3]
Zhangin ym. (2023) tutkimuksen mukaan tulostetun sarveiskalvon käyttöönottoa
rajoittavat useat tekniset ja biologiset haasteet. Näihin kuuluvat esimerkiksi läpinä-
kyvyyden puute, mekaanisten ja bioyhteensopivien ominaisuuksien tasapainottami-
sen vaikeus sekä kudoksen tukirakenteiden puutteellisuus. Näiden ongelmien ratkai-
seminen edellyttää luonnollisen sarveiskalvon mikroympäristön tarkkaa jäljittelyä,
4.2 HAASTEET MATERIAALIN VALINNASSA 17
sillä se on olennainen osa toimivien ja pitkäkestoisten biomateriaalien kehittämistä.
[20]
Kollageeni ei ole yksinään kovin kestävä tulostusmateriaali. Aineiston [17] pe-
rusteella sen hidas geeliytyminen voi heikentää soveltuvuutta biotulostukseen, sillä
prosessi edellyttää nopeaa kiinteytymistä [17]. Tästä syystä kollageenia käytetään
usein yhdessä muiden materiaalien, kuten alginaatin ja gelatiinin, kanssa. Kolla-
geenin yhdistäminen muihin materiaaleihin parantaa sen tulostettavuutta, läpinä-
kyvyyttä ja mekaanisia ominaisuuksia. Toinen haaste kollageenin käytössä maini-
taan aineistossa [21], jossa tuodaan esiin matalien kollageenipitoisuuksien ongelma.
Matalat kollageenipitoisuudet eivät tarjoa riittävää jäykkyyttä kestävien sarveiskal-
vorakenteiden valmistamiseen suulakepuristuspohjaisella 3D-tulostusmenetelmällä.
[21] Tämän tulostusmenetelmän keskeinen haaste on kollageenin pitoisuuden tark-
ka säätely, jotta saavutetaan vaadittava mekaaninen lujuus. Tällöin kollageenin ja
alginaatin yhdistäminen parantaa tulostettavuutta ja vetolujuutta. [3]
Aineistojen [3] ja [20] mukaan gelatiini ja GeIMA eivät yksinään ole riittävän kes-
täviä käytettäväksi sarveiskalvorakenteissa, koska niiden geeliytymisajat ovat pitkiä
ja mekaaniset ominaisuudet eivät täytä sarveiskalvon rakenteelle asetettuja vaati-
muksia. Tämä heikentää niiden kykyä tukea sarveiskalvon toimintaa ja integroitu-
mista ympäröivään kudokseen. Parempien mekaanisten ominaisuuksien varmistami-
seksi GeIMA:a ja gelatiinia yhdistetään muihin materiaaleihin. Luonnollisten po-
lymeerien, kuten kollageenin ja GeIMA:n käyttöön liittyy muitakin haasteita. Esi-
merkiksi niiden rajallinen rakenteellinen muokattavuus rajoittaa mekaanisten omi-
naisuuksien ja vesipitoisuuden säädettävyyttä. Tämä voi puolestaan aiheuttaa im-
muunivasteen sekä soluviljelmissä (in vitro) että elävässä organismissa (in vivo).
Kollageenin ja GeIMA:n käyttö on myös riippuvaista isäntäsolukosta tai -elimestä.
Ilman sitä soluväliaineet eivät kykene uusiutumaan ennen mekaanisten ominaisuuk-
sien heikkenemistä. Tämä voi johtaa sidekudoksen solujen liialliseen aktivointiin ja
4.2 HAASTEET MATERIAALIN VALINNASSA 18
arpeutumiseen, mikä on ongelmallista sarveiskalvon siirrossa. [3], [20]
Kehittyneiden biomateriaalien, kuten kollageenin, gelatiinin ja GeIMA:n, sovel-
tuvuutta 3D-tulostetuissa sarveiskalvoissa on tutkittu, mutta mikään näistä bio-
materiaaleista ei vielä tarjoa täydellistä tasapainoa mekaanisten ominaisuuksien ja
biologisen yhteensopivuuden välillä [3], [20]. Tämä tarkoittaa, että vaikka biomate-
riaali kykenee kiinnittymään ympäröivään sarveiskalvokudokseen, se ei välttämättä
ole riittävän kestävä. Toisaalta biomateriaali voi olla mekaanisesti kestävä, mutta
sen kyky kiinnittyä sarveiskalvokudokseen on riittämätön.
5 3D-tulostetut sarveiskalvot
kudoskorjauksessa
Tässä luvussa käsitellään tutkimuskysymystä 3 aineiston pohjalta saatujen vastaus-
ten perusteella. Luvussa tarkastellaan kudoskorjauksen mahdollisuuksia, erityisesti
3D-tulostettujen sarveiskalvojen osalta. Tarkastelussa keskitytään siihen, miten 3D-
tulostetut sarveiskalvot voivat edistää kudoskorjausta ja mitä etuja ne tarjoavat.
Lopuksi muodostetaan kokonaiskuva 3D-tulostamisen mahdollisuuksista kudoskor-
jauksessa aineiston havaintojen perusteella.
Kudoskorjauksella tarkoitetaan insinööritieteiden ja lääketieteen menetelmien
soveltamista vahingoittuneiden kudosten korvaamiseksi ja niiden normaalin toimin-
nan palauttamiseksi. Kudoskorjauksella voidaan tuottaa uusia kudoksia, jotka muis-
tuttavat toiminnaltaan ja ominaisuuksiltaan luonnollisia kudoksia. [19], [24] Aineis-
ton [25] pohjalta voidaan todeta, että 3D-biotulostusta voidaan hyödyntää monen-
laisissa sovelluksissa. Sillä voidaan valmistaa esimerkiksi elimiä ja kudoksia, mikä
auttaa ratkaisemaan luovutuskudosten puutetta ja parantamaan kudosrakenteiden
laatua. Tavoitteena on tuottaa kudoksia, jotka voidaan istuttaa kehoon korvaamaan
tai parantamaan elinten toimintaa. Kudoskorjaus on edistynyt merkittävästi keinote-
koisten sarveiskalvosiirteiden tuottamisessa. Näitä siirteitä käytetään sarveiskalvon
korjaamiseen, korvaamiseen ja uusimiseen. [25]
Kudoskorjauksessa on otettu käyttöön monia lähestymistapoja, kuten solu-, polymeeri-
LUKU 5. 3D-TULOSTETUT SARVEISKALVOT KUDOSKORJAUKSESSA 20
ja hydrogeelipohjaiset menetelmät. Lähestymistavan on täytettävä tutkimuksen Ula-
gin ym. (2021) mukaan kaksi keskeistä vaatimusta: ensinnäkin solujen on liityttävä
osaksi kudosta, ja toiseksi niiden on eritettävä kasvutekijöitä, jotka edistävät kehon
omaa kudoskorjausta. Näiden vaatimusten täyttämiseksi kudoskorjauksessa käyte-
tään kantasoluja, jotka pystyvät erilaistumaan erilaisiksi soluiksi. [19]
Kudostekniikalla valmistetut sarveiskalvot tarjoavat useita etuja verrattuna pe-
rinteisiin, luovutettuihin sarveiskalvoihin. Aineiston [3] analyysin perusteella kudos-
korjaus ei vaadi yksilöllistä luovuttajan terveystarkastusta, ja massatuotanto on
mahdollista. Tämä voi alentaa kustannuksia ja lyhentää tuotantoprosessin kestoa.
Lisäksi sarveiskalvon mekaanisia, optisia ja biologisia ominaisuuksia, kuten kaare-
vuutta ja paksuutta, voidaan säätää tarkemmin potilaan tarpeiden mukaan, mikä
voi tulevaisuudessa parantaa potilaiden elämänlaatua. 3D-tulostusteknologian ke-
hittyminen mahdollistaa näiden säätöjen tarkemman toteutuksen. [3], [21]
Wun ym. (2016) havaintojen pohjalta voidaan sanoa, että 3D-tulostettuja sar-
veiskalvoja on mahdollista käyttää kudoskorjauksessa solukasvualustoina. Ne tuke-
vat sarveiskalvon korjausta ja uudistumista. Kudoskorjauksessa hyödynnetään eri-
tyisiä kehikkoaineita, kuten alginaatti- ja kollageenigeelejä, jotka toimivat tukira-
kenteina solujen kasvulle ja erilaistumiselle. Nämä kehikkoaineet tulostetaan ja täy-
tetään kantasoluilla, ja niihin voidaan lisätä solujen kasvua ja kehitystä edistäviä
kasvutekijöitä. Tämä mahdollistaa synteettisten kudosten luomisen, joita aineiston
[26] mukaan voidaan käyttää tutkimuksissa tai jopa elinsiirroissa. [26]
Luovuttajilta saadut sarveiskalvosiirteet voivat aiheuttaa hylkimisreaktion toi-
menpiteen jälkeen. Lisäksi hermojen uusiutumisen ja solujen lisääntymisen puut-
teellisuus lisää näiden siirteiden käytön haasteita. Aineistojen [21] ja [27] perusteel-
la 3D-biotulostus tarjoaa lupaavan ratkaisun siirrännäisten hyljintäongelmiin, sillä
tulostetuissa sarveiskalvoissa voidaan käyttää potilaan omia kantasoluja. Kantasolu-
jen käyttö edistää kudoksen uudistumista, vähentää hylkimisreaktioita ja mahdollis-
LUKU 5. 3D-TULOSTETUT SARVEISKALVOT KUDOSKORJAUKSESSA 21
taa toimivampien rakenteiden luomisen. Lisäksi kyky valmistaa yksilöllisiä siirteitä,
jotka ovat muodoltaan ja suunnittelultaan ainutlaatuisia, tuo lisää joustavuutta ja
räätälöityjä ratkaisuja potilaan tarpeisiin. [21], [27]. Vaikka 3D-biotulostus on vie-
lä kehitysvaiheessa, sen jatkuva edistyminen tuo uusia mahdollisuuksia elinten ja
kudosten korvaamiseen sekä korjaamiseen. Tulevaisuudessa 3D-tulostuksen yhdis-
täminen biomateriaaleihin ja soluteknologioihin voi johtaa entistä toimivampiin ja
pitkäkestoisempiin ratkaisuihin kudoskorjauksessa.
6 Pohdinta
Elinten ja kudosten korvaamisen tarve kasvaa nopeasti ympäri maailmaa. Uudet
edistysaskeleet kudoskorjauksessa mahdollistavat vaurioituneiden kudosten ja jopa
elinten valmistamisen 3D-tulostimilla, mikä tarjoaa mahdollisuuden palauttaa näi-
den kudosten toiminta. Tutkielma osoittaa, että sarveiskalvosiirteiden 3D-tulostuksen
tulevaisuus näyttää lupaavalta erityisesti yksilöllisesti räätälöityjen ratkaisujen ja
nopean tuotannon osalta. Luonnollisten ja synteettisten polymeerien sekä erilais-
ten tulostustekniikoiden yhdistäminen tarjoaa uudenlaisia siirteitä, jotka mukautu-
vat potilaan tarpeisiin mekaanisten, biologisten ja optisten ominaisuuksien osalta.
Nykyiset materiaaliratkaisut vaativat kuitenkin lisätutkimuksia, jotta sarveiskalvo-
siirteiden kestävyys, biologinen yhteensopivuus ja tulostettavuus säilyvät optimaa-
lisina. 3D-tulostus voi myös alentaa tuotantokustannuksia verrattuna perinteisiin
sarveiskalvosiirteisiin.
Biotulostuksen käyttö sarveiskalvojen valmistuksessa voi mullistaa kudoskorjauk-
sen. 3D-tulostustekniikat avaavat uusia mahdollisuuksia yksilöllisesti suunniteltujen
sarveiskalvorakenteiden valmistamiseen. Tämä on erityisen tärkeää potilaille, joilla
on monimutkaisia anatomisia tarpeita, kuten sarveiskalvon arpia. Lisäksi riippumat-
tomuus luovuttajakudoksista lieventää kudossiirteiden kysyntään liittyviä haastei-
ta. Maailmanlaajuisesti yli 10 miljoonaa ihmistä odottaa sarveiskalvosiirtoa, mikä
korostaa uusien ratkaisujen, kuten 3D-tulostuksen merkitystä [1].
Keskeinen pohdinnan aihe on, miten kantasoluihin ja kasvutekijöihin perustu-
LUKU 6. POHDINTA 23
vat tekniikat voivat edistää uuden kudoskerroksen muodostumista ja vähentää tu-
lostettujen sarveiskalvojen hylkimisreaktiota. Keskeistä onnistumisen kannalta on,
miten hyvin siirre integroituu ympäröivään kudokseen. Biomateriaalit mahdollista-
vat joustavien, kestävien ja kehon kanssa yhteensopivien rakenteiden luomisen, jotka
toimivat tarkasti luonnollisten kudosten tavoin. Nämä ominaisuudet lisäävät raken-
teiden toiminnallisuutta ja vähentävät hylkimisreaktiota. Vaikka kudostekniikalla
valmistetut sarveiskalvot voivat teoriassa vähentää hylkimisreaktioita, biomateriaa-
lien pitkäaikaisen kestävyyden ja solujen elinkelpoisuuden varmistaminen on vielä
ratkaisematon ongelma.
Pohdittavaksi jää myös 3D-tulostettujen sarveiskalvosiirteiden kliinisen käytön
ja lainsäädännön haasteet. Uusien biotulostettujen siirteiden hyväksyminen lääke-
tieteelliseen käyttöön edellyttää laajoja ja pitkäaikaisia kliinisiä tutkimuksia tur-
vallisuuden ja tehokkuuden varmistamiseksi. Lainsäädäntö ja sääntelyjärjestelmät
voivat vaihdella huomattavasti eri maissa, mikä saattaa hidastaa uusien teknologioi-
den käyttöönottoa ja leviämistä. Mielestäni on tärkeää, että lainsäätäjät, tutkijat
ja alan ammattilaiset tekevät tiivistä yhteistyötä, jotta uudet innovaatiot voidaan
ottaa käyttöön mahdollisimman nopeasti ja turvallisesti.
Vaikka kirjallisuuskatsauksen painopiste oli sarveiskalvosiirteissä, 3D-tulostuksen
mahdollisuudet ulottuvat myös muihin silmälääketieteen osa-alueisiin, kuten kirur-
gisten mallien valmistukseen ja opetusvälineisiin. Erityisesti 3D-tulostetut silmä-
kuopan mallit parantavat kirurgista suunnittelua ja vähentävät toimenpiteiden on-
gelmakohtia. Tulevaisuudessa 3D-tulostus voisi mahdollistaa myös muiden elinten,
kuten munuaisten tai sydämen, valmistamisen, mikä loisi kokonaan uuden perustan
elinsiirroille ja kudoskorjaukselle. Tämä voisi vähentää elinluovutusten tarvetta ja
lyhentää siirtojen odotusaikoja.
7 Yhteenveto
Tutkielmassa tarkasteltiin, mitkä 3D-tulostettavat materiaalit soveltuvat parhaiten
sarveiskalvosiirteiden kehittämiseen. Työn tavoitteena oli selvittää, mitkä biomate-
riaalit tarjoavat säädettäviä mekaanisia ja optisia ominaisuuksia, jotka parantavat
sarveiskalvosiirteiden kestävyyttä ja biologista yhteensopivuutta. Lisäksi työssä tut-
kittiin materiaalivalinnan haasteita ja kudoskorjauksen mahdollisuuksia.
Kirjallisuuskatsauksen tulokset tukevat näkemystä siitä, että 3D-biotulostus tar-
joaa merkittäviä etuja verrattuna perinteisiin kudossiirteisiin. Aineiston perusteel-
la voidaan todeta vastauksena ensimmäiseen tutkimuskysymykseen, että parhai-
ten 3D-tulostettavien sarveiskalvojen valmistukseen soveltuvat erityisesti luonnolli-
set biomateriaalit, kuten kollageeni ja hydrogeelit, kuten GeIMA ja sen yhdistelmät.
Luonnolliset biomateriaalit ovat erittäin sopivia materiaalivalintoja sarveiskalvoon,
koska niillä on samankaltaiset ominaisuudet ihmisen soluväliaineen kanssa. Hydro-
geelit puolestaan tarjoavat säädettävissä olevia mekaanisia ja optisia ominaisuuksia.
Aineiston mukaan toiseen tutkimuskysymykseen vastauksena huomattiin, että
luonnolliset materiaalit, kuten kollageeni, tarjoavat erinomaisen bioyhteensopivuu-
den ja tukevat solutoimintaa. Niiden mekaaninen kestävyys ja tulostettavuus ovat
kuitenkin rajallisia. Synteettiset materiaalit, kuten PEG ja PCL, tarjoavat parempia
mekaanisia ominaisuuksia, mutta ne eivät luonnostaan tue solujen toimintaa yhtä
tehokkaasti kuin luonnolliset materiaalit. Näiden materiaalien yhdistelmillä voidaan
kuitenkin luoda ominaisuuksia, jotka vastaavat paremmin kudoskorjauksen tarpeita.
LUKU 7. YHTEENVETO 25
Materiaaleihin liittyy edelleen kehityshaasteita, kuten immuunivasteiden hallinta ja
geeliytymisen säätely.
Aineiston perusteella kudoskorjaus voi tulevaisuudessa täyttää elinluovutusten
tarpeen. Vastauksena kolmanteen tutkimuskysymykseen voidaan esittää, että 3D-
tulostetut sarveiskalvot osoittavat potentiaalia sarveiskalvon korjaamisessa, korvaa-
misessa ja uusimisessa. Kudoskorjaus mahdollistaa mekaanisten, optisten ja biolo-
gisten ominaisuuksien räätälöinnin potilaan tarpeiden mukaan. Esimerkiksi sarveis-
kalvon kaarevuutta ja paksuutta voidaan muokata yksilöllisten taittovirheiden kor-
jaamiseksi. Tämän perusteella kudoskorjaus voi tarjota tehokkaamman ratkaisun
sarveiskalvon korjaamiseen verrattuna perinteisiin sarveiskalvosiirteisiin.
Kirjallisuuskatsauksen tuloksissa on kuitenkin rajoitteita. Esimerkiksi tulosten
yleistettävyys saattaa olla rajallinen, sillä tutkimuksessa käytetyt materiaalit ja me-
netelmät eivät ole vielä vakiintuneita kliinisessä käytössä. Lisätutkimuksia tarvitaan
materiaalien kestävyyden, optisen suorituskyvyn ja biologisen yhteensopivuuden ar-
vioimiseksi erilaisissa kliinisissä ympäristöissä. Toinen merkittävä haaste on solujen
elinkelpoisuuden ja lisääntymiskyvyn säilyttäminen tulosteessa. Näkökyvyn palaut-
taminen edellyttää, että solut sopeutuvat silmää ympäröivään kudokseen. Lisäksi
tulostetun sarveiskalvon rakenteen ja toiminnan on muistutettava luonnollista sar-
veiskalvoa, jotta se integroituu onnistuneesti elimistöön.
Jatkotutkimuksissa olisi tärkeää keskittyä siihen, miten eri 3D-tulostettavat bio-
materiaalit vaikuttavat sarveiskalvon toimintaan ja soveltuvat muihin elinsiirrois-
sa käytettäviin kudoksiin. Tällä on aineiston pohjalta suuri vaikutus siihen, miten
3D-biotulostus voisi vähentää elinluovutusten tarvetta tulevaisuudessa. Lisäksi olisi
hyödyllistä kehittää uusia menetelmiä, jotka parantavat siirteiden integroitumista
elimistöön.
Lähdeluettelo
[1] B. Zhang, Q. Xue, J. Li et al., ”3D bioprinting for artificial cornea: Challenges
and perspectives”, en, Medical Engineering Physicds, vol. 71, s. 68–78, 2019,
issn: 1350-4533. doi: 10.1016/j.medengphy.2019.05.002.
[2] P. Garg, P. V. Krishna, A. K. Stratis ja U. Gopinathan, ”The value of corneal
transplantation in reducing blindness”, en, Eye, vol. 19, s. 1106–1114, 2005,
issn: 1476-5454. doi: 10.1038/sj.eye.6701968.
[3] S. Jia, Y. Bu, D.-S. A. Lau et al., ”Advances in 3D bioprinting technology for
functional corneal reconstruction and regeneration”, en, Frontiers in Bioengi-
neering and Biotechnology, s. 1–17, 2023. doi: 10.3389/fbioe.2022.1065460.
[4] A. C. Sommer ja E. Z. Blumenthal, ”Implementations of 3D printing in opht-
halmology”, en, Graefe’s Archive for Clinical and Experimental Ophthalmolo-
gy, vol. 257, s. 1815–1822, 2019, issn: 0721-832X, 1435-702X. doi: 10.1007/
s00417-019-04312-3.
[5] M. Sridhar, ”Anatomy of cornea and ocular surface”, en, Indian Journal of
Ophthalmology, vol. 66, s. 190–194, 2018, issn: 0301-4738. doi: 10.4103/ijo.
IJO_646_17.
[6] S. Parker, Ihmiskeho: suuri ensyklopedia, fi. Lontoo: Jonathan Metcalf, vol. 2015.
[7] H. Skottman ja H. Uusitalo, ”Silmän kantasoluhoidot”, fi, Lääketieteellinen
Aikakausikirja Duodecim, vol. 130, nro 19, s. 1991–9, 2014, issn: 2489-9302.
LÄHDELUETTELO 27
[8] K. Ikäheimo ja I. Sorri, ”Silmävammat”, fi, Lääkärikirja Duodecim, vol. 123,
nro 15, s. 1865–9, 2007, issn: 2242-3364.
[9] G. K. Klintworth, ”Corneal dystrophies”, en, Orphanet Journal of Rare Disea-
ses, vol. 4, nro 1, s. 1–38, 2009, issn: 1750-1172. doi: 10.1186/1750-1172-
4-7.
[10] J. Santodomingo-Rubido, G. Carracedo, A. Suzaki, C. Villa-Collar, S. J. Vincent
ja J. S. Wolffsohn, ”Keratoconus: An updated review”, en, Contact Lens and
Anterior Eye, vol. 45, nro 3, s. 1–26, 2022, issn: 13670484. doi: 10.1016/j.
clae.2021.101559.
[11] M. Cabrera-Aguas, P. Khoo ja S. L. Watson, ”Infectious keratitis: A review”,
en, Clinical & Experimental Ophthalmology, vol. 50, nro 5, s. 543–562, 2022,
issn: 1442-6404, 1442-9071. doi: 10.1111/ceo.14113.
[12] M. Seppänen, ”Silmän akantamebatulehdus”, fi, Lääkärikirja Duodecim, 2021.
[13] N. N, Opas anatomiaan. München: h.f.ullmann, vol. 2009.
[14] G. Tan, N. Ioannou, E. Mathew, A. D. Tagalakis, D. A. Lamprou ja C. Yu-Wai-
Man, ”3D printing in Ophthalmology: From medical implants to personalised
medicine”, en, International Journal of Pharmaceutics, vol. 625, s. 1–8, 2022,
issn: 03785173. doi: 10.1016/j.ijpharm.2022.122094.
[15] T. Nii ja Y. Katayama, ”Biomaterial-Assisted Regenerative Medicine”, en, In-
ternational Journal of Molecular Sciences, vol. 22, nro 16, s. 1–18, 2021, issn:
1422-0067. doi: 10.3390/ijms22168657.
[16] S. Ruiz-Alonso, I. Villate-Beitia, I. Gallego et al., ”Current Insights into 3D
Bioprinting: An Advanced Approach for Eye Tissue Regeneration”, en, Phar-
maceutics, vol. 13, nro 3, s. 1–28, 2021, issn: 1999-4923. doi: 10 . 3390 /
pharmaceutics13030308.
LÄHDELUETTELO 28
[17] L. Balters ja S. Reichl, ”3D bioprinting of corneal models: A review of the
current state and future outlook”, en, Journal of Tissue Engineering, vol. 14,
2023, issn: 2041-7314. doi: 10.1177/20417314231197793.
[18] A. Kantaros, ”3D Printing in Regenerative Medicine: Technologies and Re-
sources Utilized”, en, International Journal of Molecular Sciences, vol. 23,
s. 1–13, 2022, issn: 1422-0067. doi: 10.3390/ijms232314621.
[19] S. Ulag, E. Uysal, T. Bedir et al., ”Recent developments and characterization
techniques in 3D printing of corneal stroma tissue”, en, Polymers for Advanced
Technologies, vol. 32, nro 8, s. 3287–3296, 2021, issn: 1042-7147, 1099-1581.
doi: 10.1002/pat.5340.
[20] M. Zhang, F. Yang, D. Han et al., ”3D bioprinting of corneal decellularized
extracellular matrix: GelMA composite hydrogel for corneal stroma enginee-
ring”, en, International Journal of Bioprinting, vol. 9, nro 5, s. 474–492, 2023,
issn: 2424-7723, 2424-8002. doi: 10.18063/ijb.774.
[21] A. Isaacson, S. Swioklo ja C. J. Connon, ”3D bioprinting of a corneal stroma
equivalent”, en, Experimental Eye Research, vol. 173, s. 188–193, 2018, issn:
0014-4835. doi: https://doi.org/10.1016/j.exer.2018.05.010.
[22] G. L. Duffy, H. Liang, R. L. Williams, D. A. Wellings ja K. Black, ”3D reacti-
ve inkjet printing of poly-e-lysine/gellan gum hydrogels for potential corneal
constructs”, en, Materials Science and Engineering: C, vol. 131, s. 1–10, 2021,
issn: 0928-4931. doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112476.
[23] S. Kutlehria, T. C. Dinh, A. Bagde, N. Patel, A. Gebeyehu ja M. Singh,
”High-throughput 3D bioprinting of corneal stromal equivalents”, en, Journal
of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, vol. 108, nro 7,
s. 2981–2994, 2020, issn: 1552-4973, 1552-4981. doi: 10.1002/jbm.b.34628.
LÄHDELUETTELO 29
[24] M. Dey ja I. T. Ozbolat, ”3D bioprinting of cells, tissues and organs”, en,
Scientific Reports, vol. 10, nro 1, 2020, issn: 2045-2322. doi: 10.1038/s41598-
020-70086-y.
[25] Q. Dong, D. Wu, M. Li ja W. Dong, ”Polysaccharides, as biological macromolecule-
based scaffolding biomaterials in cornea tissue engineering: A review”, en, Tis-
sue & Cell, vol. 76, s. 1–19, 2022, issn: 0040-8166. doi: 10.1016/j.tice.
2022.101782.
[26] Z. Wu, X. Su, Y. Xu, B. Kong, W. Sun ja S. Mi, ”Bioprinting three-dimensional
cell-laden tissue constructs with controllable degradation”, en, Scientific Re-
ports, vol. 6, s. 1–10, 2016, issn: 2045-2322. doi: 10.1038/srep24474.
[27] P. Puistola, A. Kethiri, A. Nurminen et al., ”Cornea-Specific Human Adipose
Stem Cell-Derived Extracellular Matrix for Corneal Stroma Tissue Enginee-
ring”, en, ACS Applied Materials Interfaces, vol. 16, nro 13, s. 15 761–15 772,
2024. doi: 10.1021/acsami.3c17803.
Liite A Tutkielman keskeisten
lähteiden tietoananalyysi
LIITE A. TUTKIELMAN KESKEISTEN LÄHTEIDEN TIETOANANALYYSIA-2
LIITE A. TUTKIELMAN KESKEISTEN LÄHTEIDEN TIETOANANALYYSIA-3