Ingenieurs van Brown University hebben een techniek gedemonstreerd voor het maken van 3D-geprinte biomaterialen die op verzoek kunnen worden afgebroken. die nuttig kan zijn bij het maken van microfluïdische apparaten met ingewikkelde patronen of bij het maken van celculturen die tijdens experimenten dynamisch kunnen veranderen.

"Het is een beetje zoals Lego, " zei Ian Wong, een assistent-professor aan Brown's School of Engineering en co-auteur van het onderzoek. "We kunnen polymeren aan elkaar hechten om 3D-structuren te bouwen, en maak ze vervolgens voorzichtig weer los onder biocompatibele omstandigheden."

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Lab op een chip .

Het Brown-team maakte hun nieuwe afbreekbare structuren met behulp van een soort 3D-printen, stereolithografie genaamd. De techniek maakt gebruik van een ultraviolette laser die wordt bestuurd door een computerondersteund ontwerpsysteem om patronen over het oppervlak van een fotoactieve polymeeroplossing te traceren. Het licht zorgt ervoor dat de polymeren aan elkaar worden gekoppeld, het vormen van solide 3D-structuren uit de oplossing. Het traceringsproces wordt herhaald totdat een heel object van onder naar boven is opgebouwd.

Stereolithografisch printen maakt meestal gebruik van fotoactieve polymeren die zich verbinden met covalente bindingen, die sterk maar onomkeerbaar zijn. Voor deze nieuwe studie Wong en zijn collega's wilden proberen structuren te maken met potentieel omkeerbare ionische bindingen, wat nog nooit eerder was gedaan met behulp van op licht gebaseerd 3D-printen. Om het te doen, de onderzoekers maakten voorloperoplossingen met natriumalginaat, een verbinding afgeleid van zeewier waarvan bekend is dat deze in staat is tot ionische verknoping.

"Het idee is dat de aanhechtingen tussen polymeren uit elkaar zouden moeten vallen wanneer de ionen worden verwijderd, wat we kunnen doen door een chelaatvormer toe te voegen die alle ionen pakt, "Zei Wong. "Op deze manier kunnen we tijdelijke structuren vormen die oplossen wanneer we dat willen."

De onderzoekers toonden aan dat alginaat inderdaad kan worden gebruikt in stereolithografie. En door verschillende combinaties van ionische zouten te gebruiken - magnesium, barium en calcium - ze kunnen structuren creëren met verschillende stijfheid, die vervolgens met verschillende snelheden konden worden opgelost.

Het onderzoek toonde ook verschillende manieren aan waarop dergelijke tijdelijke alginaatstructuren nuttig kunnen zijn.

"Het is een handig hulpmiddel voor fabricage, " zei Thomas M. Valentin, een doctoraat student in Wong's lab bij Brown en de hoofdauteur van de studie. De onderzoekers toonden aan dat ze alginaat konden gebruiken als sjabloon voor het maken van lab-on-a-chip-apparaten met complexe microfluïdische kanalen.

"We kunnen de vorm van het kanaal afdrukken met alginaat, print er vervolgens een permanente structuur omheen met een tweede biomateriaal, ' zei Valentin. 'Dan lossen we het alginaat gewoon op en hebben we een hol kanaal. We hoeven niet te snijden of complexe montage te doen."

De onderzoekers toonden ook aan dat afbreekbare alginaatstructuren nuttig zijn voor het maken van dynamische omgevingen voor experimenten met levende cellen. Ze voerden een reeks experimenten uit met alginaatbarrières omringd door menselijke borstcellen, observeren hoe de cellen migreren wanneer de barrière wordt opgelost. Dit soort experimenten kunnen nuttig zijn bij het onderzoeken van wondgenezingsprocessen of de migratie van cellen bij kanker.

De experimenten toonden aan dat noch de alginaatbarrière, noch het chelaatvormer dat werd gebruikt om het op te lossen, enige merkbare toxiciteit voor de cellen had. Dat suggereert dat afbreekbare alginaatbarrières een veelbelovende optie zijn voor dergelijke experimenten.

De biocompatibiliteit van het alginaat is veelbelovend voor verdere toekomstige toepassingen, onder meer bij het maken van steigers voor kunstweefsel en organen, zeggen de onderzoekers.

"We kunnen gaan nadenken over het gebruik van dit in kunstmatige weefsels waar je misschien kanalen doorheen wilt laten lopen die bloedvaten nabootsen, " zei Wong. "We zouden die vasculatuur mogelijk kunnen modelleren met behulp van alginaat en het dan oplossen zoals we deden voor de microfluïdische kanalen."

De onderzoekers zijn van plan om te blijven experimenteren met hun alginaatstructuren, zoeken naar manieren om hun sterkte- en stijfheidseigenschappen te verfijnen, evenals het tempo van degradatie.