3-D print af biologisk væv

Fremtiden for medicin er biologisk – og forskerne håber, at vi snart vil bruge 3-D-printet biologisk funktionelt væv til at erstatte uopretteligt beskadiget væv i kroppen. Et team af forskere fra Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB har i en årrække arbejdet med universitetet i Stuttgart på et projekt for at udvikle og optimere egnede biolinks til additiv fremstilling. Ved at variere sammensætningen af ​​biomaterialet, det er allerede lykkedes forskerne at udvide deres portefølje til at omfatte knogle- og vaskulariseringsblæk. Det har lagt grundlaget for fremstilling af knoglelignende vævsstrukturer med kapillære netværk.

3-D-print vinder ikke kun frem i fremstillingen – det får også stigende betydning inden for regenerativ medicin. Forskere håber nu at bruge denne additive fremstillingsmetode til at skabe skræddersyede biokompatible vævsstilladser, der vil erstatte uopretteligt beskadiget væv. Et team af forskere ved Fraunhofer IGB i Stuttgart arbejder også på biobaserede blæk til fremstilling af biologiske implantater i laboratoriet ved hjælp af 3D-trykningsteknikker. For at skabe et 3D-objekt i den ønskede forprogrammerede form, holdet bruger en lag-for-lag tilgang til at printe en flydende blanding bestående af biopolymerer såsom gelatine eller hyaluronsyre, vandigt medium og levende celler. Disse bio-blæk forbliver i en viskøs tilstand under udskrivning og udsættes derefter for UV-lys for at tværbinde dem til vandholdige polymernetværk kaldet hydrogeler.

Målrettet kemisk modifikation af biomolekyler

Forskere kan kemisk modificere biomolekylerne for at give de resulterende geler forskellige grader af tværbinding og kvældning. Dette gør det muligt at efterligne naturligt vævs konsistens – fra stærkere hydrogeler til brusk til blødere geler til fedtvæv. Der kan også foretages brede justeringer af viskositetsniveauet:"Ved stuetemperatur på 21 grader Celsius, gelatine er så fast som gelé, hvilket ikke er godt til udskrivning. For at forhindre temperaturafhængig gelering og for at gøre det muligt for os at behandle det uanset temperatur, vi 'masker' sidekæderne af de biomolekyler, der er ansvarlige for gelering af gelatine, " siger Dr. Achim Weber, leder af gruppen af ​​partikelbaserede systemer og formuleringer, forklarer en af ​​de centrale udfordringer i processen.

En yderligere udfordring er, at gelatinen skal tværbindes kemisk for at forhindre, at den bliver flydende ved temperaturer på omkring 37 grader. For at opnå dette, den er funktionaliseret to gange:i dette tilfælde, forskerholdet har valgt at integrere tværbindelige methacryl-grupper i biomolekylerne og derved erstatte forskellige dele af den ikke-tværbindende, maskering af acetylgrupper – en unik tilgang inden for bioprint. "Vi formulerer blæk, der tilbyder tilpassede betingelser for forskellige celletyper og vævsstrukturer, "siger Dr. Kirsten Borchers, der er ansvarlig for bioprinting projekter i Stuttgart.

I samarbejde med universitetet i Stuttgart, Det er for nylig lykkedes teamet at oprette to forskellige hydrogelmiljøer:stivere geler med mineralske komponenter til at tage højde for knogleceller, og blødere geler uden mineralske komponenter for at gøre det muligt for blodkarceller at danne sig selv til kapillærlignende strukturer.

Knogle- og vaskulariseringsblæk

Det er allerede lykkedes forskerne at fremstille knogleblæk på basis af det materialesæt, de har skabt. Deres mål er at gøre det muligt for cellerne, der behandles i sættet, at regenerere det originale væv, med andre ord selv at danne knoglevæv. Hemmeligheden bag at skabe blækket ligger i en speciel blanding af knoglemineralpulveret hydroxylapatit og biomolekyler. "Det bedste kunstige miljø for cellerne er et, der kommer tættest på de naturlige forhold i kroppen. Det er derfor, at vævsmatrixens rolle i vores trykte væv spilles af biomaterialer, som vi genererer fra elementer af den naturlige vævsmatrix, " siger videnskabsmanden.

Vaskulariseringsblækket danner bløde geler, der understøtter etableringen af ​​kapillære strukturer. Celler, der danner blodkar, er inkorporeret i blækket. Cellerne bevæger sig, migrerer mod hinanden og danner systemer af kapillærnetværk bestående af små rørformede strukturer. Hvis denne knogleerstatning skulle implanteres, det biologiske implantat ville oprette forbindelse til modtagerens blodkar system meget hurtigere end et implantat uden kapillærlignende præstrukturer, som beskrevet i den relevante litteratur. "Det ville sandsynligvis være umuligt at 3-D-printe større vævsstrukturer med succes uden vaskulariseringsblæk, siger Weber.

Stuttgart-teamets seneste forskningsprojekt involverer udvikling af matricer til at regenerere brusk. "Uanset hvilken type celle vi isolerer fra kropsvæv og formerer os i laboratoriet, vi skal skabe et passende miljø, hvor de kan udføre deres specifikke funktioner over længere tid, " forklarer holdets bioingeniør, Lisa Rebers.

Fraunhofer IGB fortsætter med at forfølge sit forskningsarbejde i Mass Personalization High-Performance Center i Stuttgart som en del af et fælles initiativ med Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA og University of Stuttgart. Den tværfaglige arbejdsgruppe Additive4Life er ansvarlig for at skabe nye teknologier og printbare biomaterialer til bioprint.