Ny granulær hydrogel-bioink kan udvide mulighederne for bioprint af væv

Hver dag i USA dør 17 mennesker, mens de venter på en organtransplantation, og hvert niende minut tilføjes en anden person til transplantationsventelisten, ifølge Health Resources and Services Administration. En potentiel løsning til at afhjælpe manglen er at udvikle biomaterialer, der kan printes tredimensionelt (3D) som komplekse organformer, der er i stand til at være vært for celler og danne væv. Forsøg indtil videre er dog udeblevet, hvor de såkaldte bulk hydrogel-bioinks ikke har kunnet integreres ordentligt i kroppen og understøtter celler i tykke vævskonstruktioner.

Nu har Penn State-forskere udviklet en ny nanokonstrueret granulær hydrogel-bioink, der gør brug af selvsamlende nanopartikler og hydrogel-mikropartikler eller mikrogeler for at opnå tidligere uopnåede niveauer af porøsitet, formfasthed og celleintegration.

Holdet offentliggjorde deres tilgang i tidsskriftet Small . Deres arbejde vil blive vist på tidsskriftets forside.

"Vi har udviklet et nyt granulært hydrogel-bioblæk til 3D-ekstrudering af bioprint af mikroporøse stilladser i vævsteknologi," sagde den tilsvarende forfatter Amir Sheikhi, assistentprofessor i Penn State i kemiteknik, som har en høflighedsansættelse i biomedicinsk teknik. "Vi har overvundet de tidligere begrænsninger ved 3D-bioprintning af granulære hydrogeler ved reversibelt at binde mikrogelerne ved hjælp af nanopartikler, der samler sig selv. Dette muliggør fremstilling af granulært hydrogelbioblæk med velbevaret mikroporøsitet, forbedret printbarhed og formfasthed."

Til dato har størstedelen af ​​bioblæk været baseret på bulk-hydrogeler - polymernetværk, der kan holde en stor mængde vand og samtidig bevare deres struktur - med porer i nanoskala, der begrænser celle-celle- og celle-matrix-interaktioner samt ilt- og næringsstofoverførsel. De kræver også nedbrydning og/eller ombygning for at tillade celleinfiltration og -migrering, forsinke eller hæmme bioink-væv-integration.

"Den største begrænsning ved 3D-bioprintning ved hjælp af konventionelle bulk-hydrogel-bioblæk er afvejningen mellem formfasthed og cellelevedygtighed, som er reguleret af hydrogelstivhed og porøsitet," sagde Sheikhi. "Forøgelse af hydrogelstivheden forbedrer konstruktionens formfasthed, men det reducerer også porøsiteten, hvilket kompromitterer cellernes levedygtighed."

For at overvinde dette problem begyndte videnskabsmænd på området at bruge mikrogeler til at samle vævstekniske stilladser. I modsætning til bulkhydrogelerne var disse granulære hydrogelstilladser i stand til at danne 3D-konstruktioner in situ, regulere porøsiteten af ​​de skabte strukturer og afkoble hydrogelernes stivhed fra porøsiteten.

Cellelevedygtighed og migration forblev dog et problem, sagde Sheikhi. For at opnå de positive egenskaber under 3D-printprocessen skal granulære hydrogeler pakkes tæt sammen, hvilket kompromitterer rummet mellem mikrogelerne og påvirker porøsiteten negativt, hvilket igen påvirker cellernes levedygtighed og motilitet negativt.

Penn State-forskernes tilgang adresserer "jamming"-problemet, mens de stadig bibeholder de positive træk ved de granulære hydrogeler ved at øge mikrogelernes klæbrighed til hinanden. Mikrogelerne klæber til hinanden og fjerner behovet for tæt pakning som et resultat af grænsefladens selvsamling af nanopartikler adsorberet til mikrogeler og bevarer mikroskala porer.

"Vores arbejde er baseret på den forudsætning, at nanopartikler kan adsorbere på polymere mikrogeloverflader og reversibelt klæbe mikrogelerne til hinanden, mens de ikke fylder porerne blandt mikrogelerne," sagde Sheikhi. "Den reversible adhæsionsmekanisme er baseret på heterogent ladede nanopartikler, der kan give dynamisk binding til løst pakkede mikrogeler. Sådanne dynamiske bindinger kan dannes eller brydes ved frigivelse eller udøvelse af forskydningskraft, hvilket muliggør 3D-bioprintbarhed af mikrogelsuspensioner uden at pakke dem tæt."

Forskerne siger, at denne teknologi kan udvides til andre granulære platforme, der består af syntetiske, naturlige eller hybride polymere mikrogeler, som kan samles til hinanden ved hjælp af lignende nanopartikler eller andre fysiske og/eller kemiske metoder, såsom ladningsinduceret reversibel binding , vært-gæst-interaktioner eller dynamiske kovalente bindinger.

Ifølge Sheikhi planlægger forskerne at udforske, hvordan det nanokonstruerede granulære bioblæk yderligere kan anvendes til vævsteknologi og -regenerering, organ-/vævs-/sygdomsmodeller-på-en-chip og in situ 3D-bioprint af organer.

"Ved at tage fat på en af ​​de vedvarende udfordringer i 3D-bioprintning af granulære hydrogeler, kan vores arbejde åbne nye veje inden for vævsteknologi og udskrivning af funktionelle organer," sagde Sheikhi. + Udforsk yderligere

Forskere bioprinter vævslignende konstruktioner, der er i stand til kontrolleret, kompleks formændring