Forvandling af pollen til 3D-printblæk til biomedicinske applikationer

Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har fundet en måde at bruge solsikkepollen til at udvikle et 3D-printblækmateriale, der kan bruges til at fremstille dele, der er nyttige til vævsteknologi, toksicitetstest og lægemiddellevering.

Denne pollenafledte blæk er i stand til at holde sin form, når den aflejres på en overflade, hvilket gør det til et levedygtigt alternativ til nuværende blæk, der bruges til 3D-print på det biomedicinske område (også kendt som bioprint). Sådanne blækfarver er sædvanligvis bløde og delikate, hvilket gør det til en udfordring at bevare det endelige produkts ønskede 3D -form og struktur, da bioprinteren deponerer blækket lag for lag.

For at illustrere funktionaliteten af ​​deres pollenbaserede 3D-printblæk, NTU Singapore-forskerne trykte et biologisk vævs-"stillads", som i laboratorieundersøgelser viste sig at være egnet til celleadhæsion og -vækst, som er afgørende for vævsregenerering.

Denne nye anvendelse til pollen, beskrevet i en videnskabelig artikel, der var forsiden af ​​et videnskabeligt tidsskrift Avancerede funktionelle materialer, fremhæver dets potentiale som et bæredygtigt alternativt materiale til nuværende bioprintblæk, sagde forskerholdet.

Studiets medforfatter professor Cho Nam-Joon fra NTU School of Materials Sciences and Engineering sagde:"Bioprinting kan være udfordrende, fordi materialet i det anvendte blæk typisk er for blødt, hvilket betyder, at strukturen af ​​det påtænkte produkt kan falde sammen under udskrivning. Ved at justere de mekaniske egenskaber af solsikkepollen, vi udviklede et pollenbaseret hybridblæk, der kan bruges til at udskrive strukturer med god strukturel integritet. At bruge pollen til 3D-print er en betydelig præstation, da processen med at fremstille den pollenbaserede blæk er bæredygtig og overkommelig. I betragtning af, at der er talrige typer af pollenarter med forskellige størrelser, former, og overfladeegenskaber, pollen-mikrogelsuspensioner kan potentielt bruges til at skabe en ny klasse af miljøvenlige 3D-printmaterialer."

Studielederforfatter Adjunkt Song Juha fra NTU School of Chemical and Biomedical Engineering sagde:"Vores resultater kunne åbne nye døre til skræddersyede fleksible membraner, der passer nøjagtigt til den menneskelige huds konturer, såsom sårforbindingsplastre eller ansigtsmasker. Sådanne bløde og fleksible membraner er normalt fremstillet baseret på flad geometri, hvilket resulterer i problemer som f.eks. brud i lagene eller dårlig pasform ved påføring på store hudoverflader, såsom ansigtet eller områder, der ser hyppige bevægelser som leddene. Ved at bruge vores pollenbaserede 3D-printblæk, som er biokompatibel, fleksibel, og lave omkostninger, vi kan fremstille membraner, der er skræddersyet til konturerne af den menneskelige hud og er i stand til at bøje uden at gå i stykker."

Forskerholdet omfatter også adjunkt Jang Taesik fra Chosun University i Sydkorea.

Professor Paul S. Weiss, Udmærket professor i kemi og biokemi, Bioteknik, og Materials Science and Engineering ved University of California, Los Angeles, som ikke var involveret i undersøgelsen, sagde, at "pollen er et fascinerende og bæredygtigt bionanomateriale med et utal af anvendelser. Sang, Cho, og deres teams har nu tilføjet det til arsenalet af, hvad der kan struktureres i større skalaer gennem additiv fremstilling, 3D print, ved at inkorporere det i en blæk."

Dr. Jeffrey S. Glenn, Direktør for Center for Hepatitis og Levervævsteknik ved Stanford Medicine, som ikke var involveret i undersøgelsen, tilføjede, at "dette er et meget spændende papir, der viser evnen til at 3D-printe tilpassede strukturer til fremstilling og lægemiddellevering med en bæredygtig, billig, og ikke-giftigt materiale."

Hvordan det pollenbaserede hybridblæk udvikles

Den mest udbredte bioprintmetode i dag er ekstruderingsbaseret bioprint, hvor blæk dispenseres kontinuerligt fra dyser og afsættes langs digitalt definerede baner for at fremstille 3D-strukturer lag for lag.

En af udfordringerne ved denne metode er vanskeligheden ved at bevare 3D-strukturerne og formerne af bløde sarte materialer som hydrogeler, celler, og biopolymerer uden yderligere støtte. En struktur kaldet en understøttende matrix, hvori den bløde blæk aflejres under udskrivningsprocessen, bruges typisk. Imidlertid, dette skaber affald, da den understøttende matrix bliver ubrugelig efter udskrivning.

Asst Prof Song sagde:"Tidligere forskningsindsats var fokuseret på at udvikle specielle bioblæk til effektiv afsætning og printbarhed ved at blande hydrogeler med fibre eller partikler. Den største ulempe ved sådanne hydrogelkompositblæk er dysetilstopning, hvilket er et mere væsentligt problem i blæk med et højere indhold af sådanne fibre eller partikler. Det pollenbaserede hybridblæk, vi har udviklet, i modsætning, er mekanisk stærk nok til at bevare sin struktur uden at sætte printeren fast. "

Udviklingsprocessen for det pollenbaserede hybridblæk starter med at inkubere sej solsikkepollen i en alkalisk opløsning - en miljøvenlig proces, der ligner sæbefremstilling - i seks timer for at danne pollenmikrogelpartikler.

Pollenmikrogelen blandes derefter med hydrogeler såsom alginat, en naturligt forekommende polymer, typisk fremstillet af brun tang, eller hyaluronsyre, en klar, klistret stof naturligt produceret af kroppen, for at danne den endelige pollen-hydrogel-hybridblæk.

Pollenbaseret stillads til cellekultur og lægemiddellevering

Som et bevis-på-koncept, forskerne trykte et fem-lags vævsteknisk stillads, nyttig til dyrkning af celler, på 12 minutter. Kollagen blev derefter tilføjet til stilladset for at give ankerpunkter, som cellerne kan klæbe til og vokse.

Forskerne såede menneskelige celler på stilladset og fandt det at have en høj cellefrøningseffektivitet på 96 procent til 97 procent. Dette er sammenlignelig ydeevne med de inverterede kolloide krystal (ICC) hydrogeler, der i vid udstrækning anvendes som 3D-cellekulturplatforme, men som er tidskrævende og besværlige at fremstille.

I betragtning af at pollen reagerer på pH-ændringer - når et miljø bliver surt eller basisk - testede NTU-teamet også levedygtigheden af ​​3D-stilladset som et stimulus-responsivt lægemiddelleveringssystem. Når et fluorescerende rødt farvestof blev dryppet på stilladset, forskerne fandt ud af, at pollenmikrogelpartiklerne gradvist frigav farvestoffet til stilladset. Mængden og frigivelseshastigheden steg ved tilsætning af en syre. Dette viser, at der er potentiale for, at pollenstilladset kan bruges som et lægemiddelleveringssystem med kontrolleret frigivelse, sagde forskerne. Prof Cho sagde:"Pollenmikrogelpartikler har en hul skalstruktur, hvilket betyder, at de potentielt kan bruges til at bære stoffer, celler, eller biomolekyler i lægemiddelleveringsplatforme med tilpassede 3D-strukturer. Vi ser nu på, hvordan vi kan bruge disse pollen mikrogel stilladser til 3D cellekultur platforme i forskellige biomedicinske applikationer.

"Der er også potentiale for, at det pollenbaserede stillads kan bruges som en smart medicinbærer, givet pollens stimulus-responsive natur. For eksempel, vi kan yderligere bremse frigivelsen af ​​lægemidler ved at belægge det pollenbaserede stillads med et tyndt lag alginat, og stimulere frigivelsen ved at indføre en syre."

Pollenbaseret støttestruktur til blødt 3D-printblæk

Forskerne fandt også ud af, at de bløde og fleksible pollenmikrogelpartikler, stammer fra seje pollenkorn, potentielt kunne tjene som en genanvendelig støttematrix, til brug i frit 3D-print, hvori blød blæk aflejres. Støttematrixen forhindrer sammenbrud af den trykte struktur, når blækket hærder.

For at teste gennemførligheden af ​​deres tilgang, forskerne fremstillede et 3D-printet silikonegummi-net til albuen ved hjælp af pollen-mikrogel som støtten, der ville bevare albuenettets form, mens det udskrives.

Efter hærdning af det trykte produkt ved 75°C (167°F) i 24 timer inde i pollenmikrogelen, forskerne fandt ud af, at det printede 3D-silikonegummi-net kunne tilpasse sig den menneskelige albue-krumning. De fandt også, at de mekaniske egenskaber af silikonegummiprøverne trykt og hærdet i pollenmikrogelunderstøttende matrix svarede til dem for prøver fremstillet ved den traditionelle støbemetode.

Brugen af ​​pollen på det biomedicinske område bygger på NTU's forskningsteams arbejde med at genbruge pollenkorn, en naturlig vedvarende ressource, til en byggesten for forskellige miljøvenlige alternative materialer, fra miljøvenligt papir til biologisk nedbrydelige svampe, der kan opsuge olieforurenende stoffer.

Denne forskning er i overensstemmelse med NTU's forskningsambitioner i dens strategiske plan for 2025 om at omsætte opfindelser og kreativitet til resultater, der forbedrer økonomiske fordele og livskvalitet.

Holdet søger nu at samarbejde med industrien for at forfine deres 3D-printinnovation og fremme dets kommercielle udbredelse.