Nanoengineers 3D-print naturtro, funktionelt blodkarnetværk, der kunne bane vejen mod kunstige organer

Nanoengineers ved University of California San Diego har 3D printet en naturtro, funktionelt blodkarnetværk, der kunne bane vejen mod kunstige organer og regenerative behandlinger.

Den nye forskning, ledet af nanoengineering professor Shaochen Chen, adresserer en af ​​de største udfordringer inden for vævsteknik:at skabe naturtro væv og organer med fungerende vaskulatur - netværk af blodkar, der kan transportere blod, næringsstoffer, affald og andre biologiske materialer - og gør det sikkert, når det implanteres inde i kroppen.

Forskere fra andre laboratorier har brugt forskellige 3D -printteknologier til at skabe kunstige blodkar. Men eksisterende teknologier er langsomme, dyrt og hovedsageligt producere enkle strukturer, såsom et enkelt blodkar - et rør, i bund og grund. Disse blodkar er heller ikke i stand til at integrere med kroppens eget vaskulære system.

"Næsten alle væv og organer har brug for blodkar for at overleve og fungere ordentligt. Dette er en stor flaskehals for at lave organtransplantationer, der er i høj efterspørgsel, men er mangelvare, "sagde Chen, der leder Nanobiomaterialerne, Bioprinting, og Tissue Engineering Lab ved UC San Diego. "3D bioprinting organer kan hjælpe med at bygge bro over dette hul, og vores laboratorium har taget et stort skridt mod det mål. "

Chens laboratorium har 3D -printet et vaskulaturnetværk, der sikkert kan integreres med kroppens eget netværk for at cirkulere blod. Disse blodkar forgrener sig til mange serier af mindre kar, ligner de blodkarstrukturer, der findes i kroppen. Værket blev offentliggjort i Biomaterialer .

Chens team udviklede en innovativ teknologi til bioprinting, ved hjælp af deres egne hjemmelavede 3D -printere, hurtigt at producere indviklede 3D -mikrostrukturer, der efterligner de sofistikerede design og funktioner af biologiske væv. Chens laboratorium har tidligere brugt denne teknologi til at skabe levervæv og mikroskopiske fisk, der kan svømme i kroppen for at opdage og fjerne toksiner.

Forskere opretter først en 3D -model af den biologiske struktur på en computer. Computeren overfører derefter 2D-snapshots af modellen til millioner af spejle i mikroskopisk størrelse, som hver især er digitalt styret til at projektere mønstre af UV -lys i form af disse øjebliksbilleder. UV-mønstrene skinnes på en opløsning indeholdende levende celler og lysfølsomme polymerer, der størkner ved udsættelse for UV-lys. Strukturen udskrives hurtigt et lag ad gangen, på en kontinuerlig måde, skaber et 3D fast polymer -stillads, der indkapsler levende celler, der vil vokse og blive biologisk væv.

"Vi kan direkte udskrive detaljerede mikrovaskulaturstrukturer i ekstremt høj opløsning. Andre 3D -printteknologier producerer tilsvarende 'pixelerede' strukturer i sammenligning og kræver normalt offermaterialer og yderligere trin for at skabe fartøjerne, "sagde Wei Zhu, en postdoktor i Chens laboratorium og en ledende forsker i projektet.

Og hele denne proces tager kun et par sekunder - en enorm forbedring i forhold til konkurrerende bioprintningsmetoder, som normalt tager timer bare at udskrive enkle strukturer. Processen anvender også materialer, der er billige og biokompatible.

Chens team brugte medicinsk billeddannelse til at skabe et digitalt mønster af et blodkarnetværk, der findes i kroppen. Ved hjælp af deres teknologi, de trykte en struktur indeholdende endotelceller, som er celler, der danner den indre foring af blodkar.

Hele strukturen passer til et lille område, der måler 4 millimeter × 5 millimeter, 600 mikrometer tyk (så tyk som en stak indeholdende 12 tråde af menneskehår).

Forskere dyrkede flere strukturer in vitro i en dag, podede derefter det resulterende væv i hudskader på mus. Efter to uger, forskerne undersøgte implantaterne og fandt ud af, at de med succes var vokset til og fusioneret med værtsblodkarnetværket, tillader blod at cirkulere normalt.

Chen bemærkede, at de implanterede blodkar endnu ikke er i stand til andre funktioner, såsom transport af næringsstoffer og affald. "Vi har stadig meget arbejde at gøre for at forbedre disse materialer. Dette er et lovende skridt mod fremtiden for vævsregenerering og reparation, " han sagde.

Bevæger sig fremad, Chen og hans team arbejder på at opbygge patientspecifikke væv ved hjælp af menneskelige inducerede pluripotente stamceller, hvilket ville forhindre transplantationer i at blive angrebet af en patients immunsystem. Og da disse celler stammer fra en patients hudceller, forskere behøver ikke at udtrække celler inde fra kroppen for at bygge nyt væv. Teamets ultimative mål er at flytte deres arbejde til kliniske forsøg. ”Det vil tage mindst flere år, før vi når det mål, "Sagde Chen.