Ny 3-D-udskrivningsmetode laver celleskala gitterstrukturer

En ny måde at lave stilladser til biologiske kulturer på kunne gøre det muligt at dyrke celler, der er meget ensartede i form og størrelse, og potentielt med visse funktioner. Den nye tilgang bruger en ekstremt finskala form for 3-D-print, ved hjælp af et elektrisk felt til at trække fibre en tiendedel af et menneskehårs bredde.

Systemet blev udviklet af Filippos Tourlomousis, en postdoc ved MIT's Center for Bits and Atoms, og seks andre ved MIT og Stevens Institute of Technology i New Jersey. Arbejdet bliver rapporteret i dag i bladet Mikrosystemer og nanoteknik .

Mange funktioner i en celle kan påvirkes af dens mikromiljø, så et stillads, der tillader præcis kontrol over det miljø, kan åbne nye muligheder for at dyrke celler med særlige egenskaber, til forskning eller i sidste ende endda medicinsk brug.

Mens almindelig 3D-udskrivning producerer filamenter så fine som 150 mikron (milliontedele af en meter), Tourlomousis siger, det er muligt at få fibre ned til 10 mikron bredder ved at tilføje et stærkt elektrisk felt mellem dysen, der ekstruderer fiberen, og det trin, hvor strukturen udskrives. Teknikken kaldes smelteelektroskrivning.

"Hvis du tager celler og sætter dem på en konventionel 3-D-printet overflade, det er som en 2D overflade for dem, "forklarer han, fordi cellerne selv er så meget mindre. Men i en mesh-lignende struktur trykt ved hjælp af elektroskrivningsmetoden, strukturen er i samme størrelsesskala som selve cellerne, og så deres størrelser og former og måden, de danner adhæsioner på materialet, kan kontrolleres ved at justere den porøse mikroarkitektur af den trykte gitterstruktur.

"Ved at kunne udskrive ned til den skala, du producerer et rigtigt 3D-miljø til cellerne, " siger Tourlomousis.

Han og holdet brugte derefter konfokal mikroskopi til at observere cellerne dyrket i forskellige konfigurationer af fine fibre, nogle tilfældige, nogle præcist arrangeret i masker af forskellige dimensioner. Det store antal resulterende billeder blev derefter analyseret og klassificeret ved hjælp af kunstige intelligensmetoder, at korrelere celletyperne og deres variabilitet med den slags mikromiljø, med forskellige mellemrum og arrangementer af fibre, hvor de blev dyrket.

Celler danner proteiner kendt som fokale adhæsioner på de steder, hvor de binder sig til strukturen. "Fokale adhæsioner er den måde, hvorpå cellen kommunikerer med det ydre miljø, Tourlomousis siger. "Disse proteiner har målbare egenskaber på tværs af cellekroppen, hvilket giver os mulighed for at udføre metrologi. Vi kvantificerer disse funktioner og bruger dem til at modellere og klassificere ganske præcist individuelle celleformer."

For en given mesh-lignende struktur, han siger, "Vi viser, at celler får former, der er direkte koblet med substratets arkitektur og med de smeltede elektroskrevne substrater, "fremme en høj grad af ensartethed sammenlignet med nonwoven, tilfældigt strukturerede underlag. Sådanne ensartede cellepopulationer kunne potentielt være nyttige i biomedicinsk forskning, han siger:"Det er almindeligt kendt, at celleform styrer cellefunktion, og dette arbejde foreslår en formdrevet vej til konstruktion og kvantificering af celleresponser med stor præcision, " og med stor reproducerbarhed.

Han siger, at i det seneste arbejde, han og hans team har vist, at visse typer stamceller dyrket i sådanne 3D-trykte masker overlevede uden at miste deres egenskaber i meget længere tid end dem, der dyrkes på et konventionelt todimensionalt substrat. Dermed, der kan være medicinske anvendelser til sådanne strukturer, måske som en måde at dyrke store mængder af menneskelige celler med ensartede egenskaber, der kan bruges til transplantation eller til at tilvejebringe materialet til at bygge kunstige organer, han siger. Materialet, der bruges til trykning, er en polymersmelte, der allerede er godkendt af FDA.

Behovet for strammere kontrol over cellefunktionen er en stor blokering for at få vævstekniske produkter til klinikken. Eventuelle skridt til at stramme specifikationerne på stilladset, og derved også stramme variansen i cellefænotype, er meget tiltrængt af denne industri, Tourlomousis siger.

Udskrivningssystemet kan også have andre applikationer, Tourlomousis siger. For eksempel, det kan være muligt at udskrive "metamaterialer" - syntetiske materialer med lagdelte eller mønstrede strukturer, der kan producere eksotiske optiske eller elektroniske egenskaber.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.