Ny enhed baner vejen for 3-D-printede organer, mad

Mere end 113, 000 mennesker er i øjeblikket på den nationale transplantationsliste. Og med mangel på donorer, det betyder, at omkring 20 mennesker vil dø hver dag, mens de venter på et organ, ifølge det amerikanske sundhedsministerium.

Men dette kan ændre sig takket være forskere ved UC Berkeley, som har udviklet en enhed, der kan være nøglen til levedygtigheden af ​​bioprint, en udvidelse af 3D-print, der tillader levende væv, knogle, blodkar og endda hele organer, der skal printes efter behov. Et papir om dette arbejde blev for nylig offentliggjort i Journal of Medical Devices .

I øjeblikket, der er to store forhindringer, der står i vejen for orgeltryk. Fordi levende celler og fungerende organer kræver specialiserede temperatur og kemiske forhold for at overleve, celler forringes under selve 3D-printningen af ​​et stort organ, fordi processen er for langsom. Og selvom orglet kan printes i 3D, logistikken for at transportere den kræver opbevaring, som altid har været en flaskehals for transplantationer.

For at minimere celledød under 3D-printning af et organ, Berkeley-forskerne udviklede en teknik, der anvender parallelisering, hvor flere printere producerer 2D-lag af væv samtidigt. Disse 2D-lag stables derefter lag-for-lag for at danne 3D-strukturer.

For at overvinde opbevaringsproblemet for disse fremstillede organer, holdet stolede på syv årtiers viden og teknikker til at bevare enkeltceller. Deres teknik fryser hvert 2D-lag umiddelbart efter det er flettet ind i 3D-strukturen, og denne proces med frysning af et enkelt lag celler giver optimale betingelser for at overleve frysningsprocessen, opbevaring og transport.

"Lige nu, bioprinting bruges primært til at skabe en lille mængde væv. Problemet med 3D bioprinting er, at det er en meget langsom proces, så du kan ikke udskrive noget stort, fordi de biologiske materialer vil forringes, når du er færdig. En af vores innovationer er, at vi fryser materialet, mens det bliver trykt, så det biologiske materiale bevares, og vi kan kontrollere frysehastigheden, " sagde Boris Rubinsky, professor i maskinteknik og medforfatter til papiret.

Rubinsky bemærkede også, at ved først at udskrive væv i 2D og derefter samle dem til et 3D-objekt på en anden station, hans team fremskyndede produktionen betydeligt ved i det væsentlige at eliminere udskrivningstiden. Efter samlebåndet af bioprintere skaber parallelt flere 2D-lag af væv, en robotarm – forstærket af ingeniørstuderende – samler laget op og bærer det til en anden station. der, vævene stables sammen for at skabe et 3D-objekt og smeltes sammen via frysning.

"Når hvert lag stables for at danne en 3D-struktur, en af ​​de innovationer, vi implementerede, var at dyppe 3D-strukturen ned i et kryogent bad for at fryse det i stedet for at lade badet fyldes op for at møde hvert lag, " sagde Joseph Sahyoun (Meng '18, ME) og medforfatter på papiret. "Denne metode gjorde det muligt for os at kontrollere frysehastigheden mere præcist."

Ud over organer, en anden potentiel anvendelse for denne teknologi er fødevarer. Lag-for-lag udskrivning og samling giver producenterne mulighed for at udforske forskellige teksturer af fødevarer. Det giver dem også mulighed for at udvikle mad, der er lydhør over for syge menneskers behov.

"Dysfagi er meget almindelig blandt den geriatriske befolkning. Fordi disse patienter har svært ved at synke, de bliver fodret med mad, der grundlæggende er grød, så de ikke har appetit, og problemet forværres, "sagde Rubinsky." Men hvis du kan lave mad med tekstur, dette kan være mere appetitligt. Så mens de tygger, maden vil smelte i deres mund, så de kan synke og få næringsstofferne. Vores teknologi giver dig mulighed for at gøre det med enhver form for mad."

Han bemærker, at teknologien også giver mulighed for udvikling af industriel fremstilling af frosne fødevarer, hvor strukturen af ​​iskrystaller i maden omhyggeligt kontrolleres ved det enkelte cellelag i hele produktet.

"Dette er vigtigt, fordi størrelsen af ​​iskrystallerne og homogeniteten af ​​iskrystallerne er et centralt element i kvaliteten af ​​den frosne mad, sagde Rubinsky.

Selvom konceptet med at stable tynde lag for at skabe et 3D-objekt ikke er nyt for fremstilling, det er nyt at gøre det med biologiske materialer.

"Der er stor forskel på materialer, der bruges til konventionel laminering - som papir, plastik, keramik og metaller – der er stive, selv i tynde lag, og biologisk materiale, der for det meste består af væske, der er meget mindre." sagde Gideon Ukpai, en kandidatstuderende i Rubinskys laboratorium og hovedforfatter af papiret."

Så, holdet brugte omhyggeligt designede hydrofile og hydrofobe stive overflader, hvorpå 2D-lagene er printet. Disse specialdesignede lag gør det muligt at transportere 2D-lagene over afstande, uanset tyngdekraftens retning, til placering på et 3D-objekt.

Ud over forskning, Ukpai tjente også som mentor for ingeniørstuderende, som alle er opført som medforfattere på papiret. Til fremtidig forskning, Ukpai og en ny kohorte af mestre i ingeniørstuderende fra Fung Institute vil arbejde på at optimere denne proces bedre, karakterisere produkterne og bestemme de passende scenarier, der giver de fleste fordele.