Een nieuwe methode maakt niet-invasieve monitoring van het zuurstofmetabolisme mogelijk in cellen die 3D-bioprint zijn in complexe levende structuren. Dit zou kunnen bijdragen aan studies van celgroei en interacties onder weefselachtige omstandigheden, evenals voor het ontwerp van 3D-geprinte constructies die een hogere productiviteit van microalgen in biofilms of een betere zuurstoftoevoer voor stamcellen die worden gebruikt bij bot- en weefselreconstructie-inspanningen mogelijk maken.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van professor Michael Kühl van de afdeling Biologie, Universiteit van Kopenhagen, heeft zojuist een doorbraak in 3D bioprinting gepubliceerd. Samen met Duitse collega's van de Technische Universiteit van Dresden, De groep van professor Kühl implementeerde zuurstofgevoelige nanodeeltjes in een gelmateriaal dat kan worden gebruikt voor het 3D-printen van complexe, biofilm en weefselachtige structuren die levende cellen herbergen, evenals ingebouwde chemische sensoren. Het werk is zojuist gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen .

Kühl legt uit:"3D-printen is een wijdverbreide techniek om objecten van plastic te maken, metaal en andere abiotische materialen. Hetzelfde, levende cellen kunnen 3D worden geprint in biocompatibele gelmaterialen (bioinks) en dergelijke 3D bioprinting is een zich snel ontwikkelend veld, bijv. in biomedische studies, waar stamcellen worden gekweekt in 3D-geprinte constructies die de complexe structuur van weefsel en botten nabootsen. Dergelijke pogingen missen online monitoring van de metabole activiteit van cellen die groeien in bioprinted constructen; momenteel, dergelijke metingen zijn grotendeels afhankelijk van destructieve bemonstering. We hebben een gepatenteerde oplossing voor dit probleem ontwikkeld."

De groep ontwikkelde een gefunctionaliseerde bioinkt door lichtgevende zuurstofgevoelige nanodeeltjes in de printmatrix te implementeren. Wanneer blauw licht de nanodeeltjes opwekt, ze zenden rood luminescerend licht uit in verhouding tot de lokale zuurstofconcentratie - hoe meer zuurstof, hoe minder rode luminescentie. De verdeling van rode luminescentie en dus zuurstof over biogeprinte levende structuren kan met een camerasysteem in beeld worden gebracht. Dit maakt het mogelijk om online, niet-invasieve monitoring van zuurstofdistributie en -dynamiek die kan worden toegewezen aan de groei en distributie van cellen in de 3D bioprinted constructies zonder destructieve bemonstering.

Kühl zegt, "Het is belangrijk dat de toevoeging van nanodeeltjes de mechanische eigenschappen van de bioinkt niet verandert, bijv. om celstress en dood tijdens het printproces te voorkomen. Verder, de nanodeeltjes mogen de cellen niet remmen of verstoren. We hebben deze uitdagingen opgelost, omdat onze methode een goede biocompatibiliteit vertoont en kan worden gebruikt met zowel microalgen als gevoelige menselijke cellijnen."

De recent gepubliceerde studie laat zien hoe bioinks die zijn gefunctionaliseerd met nanodeeltjes van sensoren, kunnen worden gekalibreerd en gebruikt, bijv. voor het bewaken van de fotosynthese en ademhaling van algen, evenals stamcelademhaling in bioprinted structuren met één of meerdere celtypes.

"Dit is een doorbraak in 3D-bioprinten. Het is nu mogelijk om het zuurstofmetabolisme en de micro-omgeving van cellen online te volgen, en niet-invasief in intacte 3D-geprinte levende structuren, ", zegt prof. Kühl. "Een belangrijke uitdaging bij het kweken van stamcellen in grotere weefsel- of botachtige structuren is om te zorgen voor voldoende zuurstoftoevoer voor de cellen. Met onze ontwikkeling, het is nu mogelijk om de zuurstofcondities in 3D bioprinted structuren te visualiseren, welke bv. maakt snel testen en optimaliseren van stamcelgroei mogelijk in verschillend ontworpen constructies."

Het team is geïnteresseerd in het verkennen van nieuwe samenwerkingen en toepassingen van hun ontwikkelingen. Kühl zegt, "3-D bioprinten met gefunctionaliseerde bioinks is een krachtige nieuwe technologie die kan worden toegepast in veel andere onderzoeksgebieden dan de biogeneeskunde. Het is buitengewoon inspirerend om dergelijke geavanceerde materialen te combineren, wetenschap en sensortechnologie met mijn onderzoek in microbiologie en biofotonica, waar we momenteel 3D-bioprinting gebruiken om microbiële interacties en fotobiologie te bestuderen."