Levende celler integreret i fine strukturer skabt i en 3D-printer

Vævsvækst og cellers adfærd kan kontrolleres og undersøges særligt godt ved at indlejre cellerne i en delikat 3-D-ramme. Dette opnås ved hjælp af additive 3-D udskrivningsmetoder-såkaldte "bioprinting" teknikker. Imidlertid, dette indebærer en række udfordringer:Nogle metoder er meget upræcise eller tillader kun et meget kort tidsvindue, hvor cellerne kan behandles uden at blive beskadiget. Ud over, de anvendte materialer skal være cellevenlige under og efter 3D-biopriteringsprocessen. Dette begrænser de forskellige materialer.

Der er nu blevet udviklet en højopløselig bioprintningsproces med helt nye materialer på TU Wien (Wien):Takket være et specielt "bioblæk" til 3D-printeren, celler kan nu indlejres i en 3D-matrix trykt med mikrometerpræcision-med en udskrivningshastighed på en meter i sekundet, størrelsesordener hurtigere end tidligere muligt.

Miljøet betyder noget

"En celles opførsel afhænger afgørende af den mekaniske, kemiske og geometriske egenskaber ved dets miljø, "siger prof. Aleksandr Ovsianikov, leder af forskningsgruppen 3D-tryk og biofabrikation ved Institute of Materials Science and Technology (TU Wien). "De strukturer, hvor cellerne er indlejret, skal være gennemtrængelige for næringsstoffer, så cellerne kan overleve og formere sig. Men det er også vigtigt, om strukturerne er stive eller fleksible, om de er stabile eller nedbrydes over tid. "

Det er muligt først at fremstille passende strukturer og derefter kolonisere dem med levende celler - men denne fremgangsmåde kan gøre det svært at placere cellerne dybt inde i stilladset, og det er næppe muligt at opnå en homogen celledistribution på den måde. Den meget bedre mulighed er at integrere de levende celler direkte i 3D-strukturen under konstruktionen af ​​strukturen-denne teknik er kendt som "bioprinting".

Udskrivning af mikroskopisk fine 3D-objekter er ikke længere et problem i dag. Imidlertid, brugen af ​​levende celler giver videnskaben helt nye udfordringer:”Indtil nu, der har simpelthen manglet egnede kemiske stoffer, "siger Aleksandr Ovsianikov." Du har brug for væsker eller geler, der størkner præcis, hvor du belyser dem med en fokuseret laserstråle. Imidlertid, disse materialer må ikke være skadelige for cellerne, og hele processen skal ske ekstremt hurtigt. "

To fotoner på én gang

For at opnå en ekstremt høj opløsning, to-foton polymerisationsmetoder er blevet brugt på TU Wien i årevis. Denne metode anvender en kemisk reaktion, der kun initieres, når et molekyle af materialet samtidigt absorberer to fotoner af laserstrålen. Dette er kun muligt, når laserstrålen har en særlig høj intensitet. På disse punkter hærder stoffet, mens den forbliver flydende alle andre steder. Derfor, denne to-foton metode er bedst egnet til at producere ekstremt fine strukturer med høj præcision.

Imidlertid, disse teknikker med høj opløsning har normalt den ulempe, at de er meget langsomme - ofte i området mikrometer eller et par millimeter i sekundet. På TU Wien, imidlertid, cellevenlige materialer kan behandles med en hastighed på mere end en meter i sekundet-et afgørende skridt fremad. Kun hvis hele processen kan gennemføres inden for få timer, er der en god chance for, at cellerne overlever og udvikler sig yderligere.

Mange nye muligheder

"Vores metode giver mange muligheder for at tilpasse miljøet i cellerne, "siger Aleksandr Ovsianikov. Alt efter hvordan strukturen er bygget, den kan gøres stivere eller blødere. Endda fint, kontinuerlige gradienter er mulige. På denne måde, det er muligt at definere præcist, hvordan strukturen skal se ud for at tillade den ønskede form for cellevækst og cellemigration. Laserintensiteten kan også bruges til at bestemme, hvor let strukturen vil blive nedbrudt over tid.

Ovsianikov er overbevist om, at dette er et vigtigt skridt fremad for celleforskning:"Ved hjælp af disse 3D-stilladser, det er muligt at undersøge cellers adfærd med tidligere uopnåelig nøjagtighed. Det er muligt at undersøge spredningen af ​​sygdomme, og hvis der bruges stamceller, det er endda muligt at producere skræddersyet væv på denne måde. "

Forskningsprojektet er et internationalt og tværfagligt samarbejde, hvor tre forskellige institutter i TU Wien var involveret:Ovsianikovs forskningsgruppe var ansvarlig for selve trykningsteknologien, Institute of Applied Synthesic Chemistry udviklede hurtige og cellevenlige fotoinitiatorer (de stoffer, der starter hærdningsprocessen ved belysning) og Institute of Lightweight Structures and Structural Biomechanics analyserede de trykte strukturs mekaniske egenskaber.