Forskere udvikler 3D-trykte biomaterialer, der nedbrydes efter behov

Ingeniører fra Brown University har demonstreret en teknik til fremstilling af 3D-trykte biomaterialer, der kan nedbrydes efter behov, som kan være nyttig til fremstilling af indviklede mønstrede mikrofluidiske anordninger eller til fremstilling af cellekulturer end der kan ændre sig dynamisk under forsøg.

"Det ligner lidt Legos, "sagde Ian Wong, en assisterende professor i Brown's School of Engineering og medforfatter af forskningen. "Vi kan vedhæfte polymerer sammen for at bygge 3D-strukturer, og derefter forsigtigt løsne dem igen under biokompatible forhold. "

Forskningen er offentliggjort i tidsskriftet Lab on a Chip .

Brown-teamet lavede deres nye nedbrydelige strukturer ved hjælp af en type 3-D-tryk kaldet stereolitografi. Teknikken anvender en ultraviolet laser styret af et computerstøttet designsystem til at spore mønstre på tværs af overfladen af ​​en fotoaktiv polymeropløsning. Lyset får polymererne til at hænge sammen, danner faste 3D-strukturer fra opløsningen. Sporingsprocessen gentages, indtil et helt objekt er bygget nedefra og op.

Stereolitografisk udskrivning bruger normalt fotoaktive polymerer, der kæder sammen med kovalente bindinger, som er stærke, men irreversible. Til denne nye undersøgelse, Wong og hans kolleger ønskede at prøve at skabe strukturer med potentielt reversible ioniske bindinger, som aldrig var blevet gjort før ved hjælp af lysbaseret 3D-udskrivning. At gøre det, forskerne lavede forløberopløsninger med natriumalginat, en forbindelse afledt af tang, der vides at være i stand til ionisk tværbinding.

"Ideen er, at vedhæftningerne mellem polymerer skal skilles fra hinanden, når ionerne fjernes, hvilket vi kan gøre ved at tilføje et chelateringsmiddel, der griber alle ionerne, "Wong sagde." På denne måde kan vi mønstre forbigående strukturer, der opløses, når vi vil have dem. "

Forskerne viste, at alginat faktisk kunne bruges i stereolitografi. Og ved at bruge forskellige kombinationer af ioniske salte - magnesium, barium og calcium - de kunne skabe strukturer med varierende stivhed, som derefter kunne opløses med forskellige hastigheder.

Forskningen viste også flere måder i sådanne midlertidige alginatstrukturer kan være nyttige.

"Det er et nyttigt værktøj til fremstilling, "sagde Thomas M. Valentin, en ph.d. studerende i Wongs laboratorium på Brown og undersøgelsens hovedforfatter. Forskerne viste, at de kunne bruge alginat som en skabelon til fremstilling af lab-on-a-chip-enheder med komplekse mikrofluidkanaler.

"Vi kan udskrive kanalens form ved hjælp af alginat, udskriv derefter en permanent struktur omkring den ved hjælp af et andet biomateriale, "Sagde Valentin." Så opløser vi simpelthen alginatet, og vi har en hul kanal. Vi behøver ikke at foretage skæring eller kompleks samling. "

Forskerne viste også, at nedbrydelige alginatstrukturer er nyttige til at lave dynamiske miljøer til forsøg med levende celler. De udførte en række eksperimenter med alginatbarrierer omgivet af humane brystceller, observere, hvordan cellerne migrerer, når barrieren er opløst. Denne slags eksperimenter kan være nyttige til undersøgelse af sårhelingsprocesser eller migration af celler i kræft.

Forsøgene viste, at hverken alginatbarrieren eller det chelaterende middel, der blev brugt til at opløse den, havde nogen mærkbar toksicitet for cellerne. Det tyder på, at nedbrydelige alginatbarrierer er en lovende mulighed for sådanne eksperimenter.

Biokompatibiliteten af ​​alginatet er lovende for yderligere fremtidige applikationer, herunder ved fremstilling af stilladser til kunstigt væv og organer siger forskerne.

"Vi kan begynde at tænke på at bruge dette i kunstige væv, hvor du måske vil have kanaler, der efterligner blodkar, "Sagde Wong." Vi kan muligvis skabelonere den vaskulatur ved hjælp af alginat og derefter opløse den væk, som vi gjorde for mikrofluidkanalerne. "

Forskerne planlægger at fortsætte med at eksperimentere med deres alginatstrukturer, leder efter måder at finjustere deres styrke- og stivhedsegenskaber på, samt nedbrydningstempoet.