En ny tilgang til fremstilling af kunstig brusk ved hjælp af 3D-print

Er det muligt at dyrke væv i laboratoriet, for eksempel for at erstatte skadet brusk? På TU Wien (Wien) er der nu taget et vigtigt skridt i retning af at skabe erstatningsvæv i laboratoriet - ved hjælp af en teknik, der adskiller sig væsentligt fra andre metoder, der bruges rundt om i verden. Studiet er publiceret i Acta Biomaterialia .

En speciel højopløsnings 3D-printproces bruges til at skabe små, porøse kugler lavet af biokompatibel og nedbrydelig plast, som derefter koloniseres med celler. Disse sfæroider kan derefter arrangeres i enhver geometri, og cellerne i de forskellige enheder kombineres sømløst for at danne et ensartet, levende væv. Bruskvæv, som konceptet nu er blevet demonstreret med på TU Wien, blev tidligere anset for at være særligt udfordrende i denne henseende.

Små sfæriske bure som stillads for cellerne

"At dyrke bruskceller fra stamceller er ikke den største udfordring. Hovedproblemet er, at man normalt ikke har meget kontrol over formen på det resulterende væv," siger Oliver Kopinski-Grünwald fra Institut for Materialevidenskab og Teknologi ved TU Wien, en af forfatterne til den aktuelle undersøgelse. "Dette skyldes også, at sådanne stamcelleklumper ændrer deres form over tid og ofte skrumper."

For at forhindre dette arbejder forskerholdet på TU Wien med en ny tilgang:Specialudviklede laserbaserede højopløselige 3D-printsystemer bruges til at skabe bittesmå burlignende strukturer, der ligner minifodbolde og har en diameter på kun en tredjedel af en millimeter. De tjener som en støttestruktur og danner kompakte byggeklodser, der derefter kan samles i enhver form.

Stamceller introduceres først i disse fodboldformede minibure, som hurtigt fylder det lille volumen fuldstændigt. "På denne måde kan vi pålideligt producere vævselementer, hvor cellerne er jævnt fordelt, og celletætheden er meget høj. Dette ville ikke have været muligt med tidligere tilgange," forklarer prof. Aleksandr Ovsianikov, leder af 3D-print og biofabrikation forskningsgruppe ved TU Wien.

Vokser perfekt sammen

Holdet brugte differentierede stamceller - dvs. stamceller, der ikke længere kan udvikle sig til nogen form for væv, men som allerede er forudbestemt til at danne en bestemt type væv, i dette tilfælde bruskvæv. Sådanne celler er særligt interessante til medicinske anvendelser, men konstruktionen af ​​større væv er udfordrende, når det kommer til bruskceller. I bruskvæv danner cellerne en meget udtalt ekstracellulær matrix, en mesh-lignende struktur mellem cellerne, der ofte forhindrer forskellige cellesfæroider i at vokse sammen på den ønskede måde.

Hvis de 3D-printede porøse sfæroider koloniseres med celler på den ønskede måde, kan sfæroiderne arrangeres i enhver ønsket form. Det afgørende spørgsmål er nu:Kombinerer cellerne fra forskellige sfæroider også for at danne et ensartet, homogent væv?

"Det er præcis, hvad vi nu har kunnet vise for første gang," siger Kopinski-Grünwald. "Under mikroskopet kan du se meget tydeligt:​​nabosfæroider vokser sammen, cellerne migrerer fra den ene kugle til den anden og omvendt, de forbinder sig sømløst og resulterer i en lukket struktur uden hulrum - i modsætning til andre metoder, der har været brugt indtil videre, hvor synlige grænseflader forbliver mellem nabocelleklumper."

De små 3D-printede stilladser giver den overordnede struktur mekanisk stabilitet, mens vævet fortsætter med at modnes. Over en periode på et par måneder nedbrydes plaststrukturerne, de forsvinder simpelthen og efterlader det færdige væv i den ønskede form.

Første skridt mod medicinsk anvendelse

I princippet er den nye tilgang ikke begrænset til bruskvæv, den kan også bruges til at skræddersy forskellige slags større væv såsom knoglevæv. Der er dog stadig et par opgaver, der skal løses undervejs - trods alt, i modsætning til bruskvæv, skulle blodkar også inkorporeres for disse væv over en vis størrelse.

"Et første mål ville være at producere små, skræddersyede stykker bruskvæv, som kan indsættes i eksisterende bruskmateriale efter en skade," siger Oliver Kopinski-Grünwald. "Under alle omstændigheder har vi nu kunnet vise, at vores metode til fremstilling af bruskvæv ved hjælp af sfæriske mikrostilladser fungerer i princippet og har afgørende fordele i forhold til andre teknologier."

Flere oplysninger: Oliver Kopinski-Grünwald et al., Stilladsede sfæroider som byggesten til bottom-up bruskvævskonstruktion viser forbedret biosamlingsdynamik, Acta Biomaterialia (2023). DOI:10.1016/j.actbio.2023.12.001

Leveret af Vienna University of Technology