3D-gedrucktes Gerüst für die Züchtung komplexer Gewebe
Auf einen Blick
- Eine neue Technik zur Gravur von 3D-gedruckten Gerüsten für die Gewebereparatur würde es ermöglichen, dass viele Zelltypen auf einem einzigen Implantat wachsen können.
- Die Technologie könnte eingesetzt werden, um die Reparatur komplexer Gewebe wie Knochen und Knorpel, die aus verschiedenen Zelltypen bestehen, zu fördern.
Ein fluoreszierender Farbstoff macht die „Tinte“ sichtbar, die sich in einer Rille befindet, die in die gebogene Windung einer Gerüstfaser eingraviert ist. Diaz-Gomez et al., Bioprinting Fortschritte bei den 3D-Drucktechniken haben zu Hoffnungen auf Verbesserungen in der regenerativen Medizin geführt. Dieser Forschungsbereich zielt darauf ab, Stammzellen und andere Technologien – wie z. B. künstlich hergestellte Biomaterialien – zu verwenden, um beschädigte Zellen, Gewebe oder Organe zu reparieren oder zu ersetzen.
Viele Arbeiten in der regenerativen Medizin haben sich auf die Idee konzentriert, Gerüste zu schaffen. Gerüste sind Strukturen aus künstlichen oder natürlichen Materialien, auf denen neues Gewebe gezüchtet werden kann, um beschädigtes Gewebe zu ersetzen. Solche Gerüste könnten außerhalb des Körpers hergestellt werden – zum Beispiel, um im Labor mit dem Wachstum eines Knochenstücks zu beginnen, das dann chirurgisch implantiert werden könnte. Sie könnten auch verwendet werden, um die Reparatur innerhalb des Körpers direkt zu fördern.
Die Forschung in diesem Bereich ist auf mehrere technologische Hürden gestoßen. Es hat sich als schwierig erwiesen, die Zellen auf vielen 3D-gedruckten Gerüsten vorhersagbar zu verteilen. Die gleichmäßige und kontrollierte Verteilung von Zellen ist erforderlich, um komplexe Gewebe wie Knochen und Knorpel zu züchten, die aus vielen verschiedenen Zelltypen bestehen.
Die Herstellung der „Biotinten“, mit denen Zellen auf Gerüste gedruckt werden, hat sich ebenfalls als schwierig erwiesen. Sie wurden so entwickelt, dass sie dick und zähflüssig sind, damit die Biotinte nicht von den Gerüsten abläuft. Diese Viskosität kann jedoch die Zellen während des Druckvorgangs schädigen.
Forscher um Dr. Antonios Mikos von der Rice University haben Möglichkeiten zur Verbesserung von 3D-Gerüsten und Biotinte für den Druck von Biomaterialien getestet. In ihrer neuen Studie untersuchten sie, ob das Einprägen von Rillen in gedruckte Gerüstfasern dazu beitragen könnte, Zellen an Ort und Stelle zu halten und die Verwendung einer weniger viskosen Biotinte zu ermöglichen. Die Arbeit wurde zum Teil vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) der NIH finanziert. Die Ergebnisse werden in der Juni-Ausgabe 2020 von Bioprinting veröffentlicht.
CT-Bild eines 3D-gedruckten Gerüsts mit Rillen. Rice Biomaterials Lab Die Forscher erstellten die Fasern mit einem Druckkopf und verwendeten dann, als die Fasern abgekühlt waren, einen Gravurkopf, mit dem Rillen und Kanäle unterschiedlicher Höhe für verschiedene Zwecke erzeugt werden konnten. Die allgemeine Struktur der gedruckten Fasern wurde durch die Gravur nicht beschädigt, und wenn die Fasern in einem Winkel von 90° übereinander geschichtet wurden, behielten die resultierenden Gerüste ihre Festigkeit unter Kompression.
Als die Rillen dann mit niedrigviskosen Biotinten gefüllt wurden, hielten sie sie an Ort und Stelle, ohne sich zu überfüllen und auszubreiten.
Das Team testete als Nächstes das Überleben von strukturbildenden Zellen, den Fibroblasten, wenn sie mit niedrigviskoser Tinte auf die gravierten Gerüste gedruckt wurden. 24 Stunden nach dem Druck blieb eine große Anzahl von Zellen in den Rillen am Leben.
„Diese neue Technologie ermöglicht es uns, mehrschichtige Gerüste zu drucken, die in jeder Schicht mit verschiedenen Zelltypen besiedelt sind“, sagt Mikos. „Das Ziel ist es, Gewebe zu züchten, das die ursprüngliche Struktur besser nachahmt, um eine funktionellere und dauerhaftere Reparatur zu ermöglichen.“
Die Technik könnte es auch ermöglichen, empfindliche Moleküle, wie Wachstumsfaktoren, auf das Gerüst zu drucken. Die Forscher erforschen nun Möglichkeiten, die Erzeugung von Rillen unterschiedlicher Größe besser zu steuern, mit dem Ziel, die Technologie in Gerüsten aus sehr dünnen Materialien oder bei Bedarf für tiefere Rillen zu verwenden.