3-D bioprint af levende strukturer med indbyggede kemiske sensorer

En ny metode muliggør ikke-invasiv overvågning af iltmetabolisme i celler, der er 3-D bioprintet til komplekse levende strukturer. Dette kunne bidrage til undersøgelser af cellevækst og interaktioner under vævslignende forhold, samt til design af 3-D-printede konstruktioner, der letter højere produktivitet af mikroalger i biofilm eller bedre iltforsyning til stamceller, der bruges i knogle- og vævsrekonstruktionsindsatsen.

Et internationalt team af forskere ledet af professor Michael Kühl ved Biologisk Institut, Københavns Universitet, har netop offentliggjort et gennembrud inden for 3-D bioprint. Sammen med tyske kolleger ved det tekniske universitet i Dresden, Professor Kühls gruppe implementerede iltfølsomme nanopartikler i et gelmateriale, der kan bruges til 3D-print af kompleks, biofilm og vævslignende strukturer, der rummer levende celler samt indbyggede kemiske sensorer. Værket er netop udgivet i Avancerede funktionelle materialer .

Kühl forklarer:"3-D print er en udbredt teknik til fremstilling af genstande i plastik, metal og andre abiotiske materialer. Ligeledes, levende celler kan 3-D printes i biokompatible gelmaterialer (bioinks), og sådan 3-D bioprint er et område i hastig udvikling, f.eks. i biomedicinske studier, hvor stamceller dyrkes i 3-D printede konstruktioner, der efterligner den komplekse struktur af væv og knogler. Sådanne forsøg mangler online overvågning af den metaboliske aktivitet af celler, der vokser i bioprintede konstruktioner; i øjeblikket, sådanne målinger er i høj grad afhængige af destruktiv prøvetagning. Vi har udviklet en patentanmeldt løsning på dette problem."

Gruppen udviklede en funktionaliseret bioblæk ved at implementere selvlysende iltfølsomme nanopartikler i printmatrixen. Når blåt lys exciterer nanopartiklerne, de udsender rødt selvlysende lys i forhold til den lokale iltkoncentration - jo mere ilt, jo mindre rød luminescens. Fordelingen af ​​rød luminescens og dermed ilt på tværs af bioprintede levende strukturer kan afbildes med et kamerasystem. Dette giver mulighed for online, non-invasiv overvågning af iltfordeling og dynamik, der kan kortlægges til vækst og fordeling af celler i de 3-D bioprintede konstruktioner uden behov for destruktiv prøvetagning.

Kühl siger, "Det er vigtigt, at tilføjelsen af ​​nanopartikler ikke ændrer bioblækkets mekaniske egenskaber, f.eks. for at undgå cellestress og død under udskrivningsprocessen. Desuden, nanopartiklerne bør ikke hæmme eller interferere med cellerne. Vi har løst disse udfordringer, da vores metode viser god biokompatibilitet og kan bruges med mikroalger såvel som følsomme menneskelige cellelinjer."

Den nyligt offentliggjorte undersøgelse viser, hvordan bioblæk, der er funktionaliseret med sensornanopartikler, kan kalibreres og bruges, f.eks., til overvågning af algefotosyntese og respiration, samt stamcelle-respiration i bioprintede strukturer med en eller flere celletyper.

"Dette er et gennembrud inden for 3-D bioprint. Det er nu muligt at overvåge iltmetabolismen og mikromiljøet i celler online, og ikke-invasivt i intakte 3-D printede levende strukturer, " siger prof. Kühl. "En central udfordring ved dyrkning af stamceller i større vævs- eller knoglelignende strukturer er at sikre tilstrækkelig iltforsyning til cellerne. Med vores udvikling, det er nu muligt at visualisere iltforholdene i 3-D bioprintede strukturer, som f.eks. muliggør hurtig test og optimering af stamcellevækst i forskelligt designede konstruktioner."

Teamet er interesseret i at udforske nye samarbejder og anvendelser af deres udviklinger. Kühl siger, "3-D bioprint med funktionaliserede bioblæk er en kraftfuld ny teknologi, der kan anvendes i mange andre forskningsfelter end biomedicin. Det er ekstremt inspirerende at kombinere så avancerede materialer, videnskab og sensorteknologi med min forskning i mikrobiologi og biofotonik, hvor vi i øjeblikket anvender 3-D bioprint til at studere mikrobielle interaktioner og fotobiologi."