Thomas E. Angelini, doctoraat, Universitair hoofddocent bij de afdeling Mechanical &Aerospace Engineering aan de Universiteit van Florida en zijn onderzoeksgroep, het Soft Matter Engineering-lab heeft met succes levende microbundels gefabriceerd van glioblastoomcellen en extracellulair materiaal (ECM) ingebed in een verpakt microgel-ondersteuningsmedium. Vervolgens karakteriseerden ze de fysieke eigenschappen van de balken en vergeleken ze hun resultaten met traditionele werktuigbouwkundige modellen. Tot hun verbazing, deze microscopische, delicate structuren gedragen zich net als de massieve balken die worden gebruikt in de dagelijkse bouwconstructie. "We waren verheugd en opgewonden om te zien dat onze microstralen, slechts 50 tot 200 µm in diameter, gehandeld in overeenstemming met de mechanische principes voor andere modellen zoals grote stalen balken, " zei S. Tori Ellison. Ellison is een doctoraatsstudente Mechanical &Aerospace Engineering die wordt begeleid door Dr. Angelini en is de co-eerste auteur van het gepubliceerde artikel dat uit dit onderzoek voortvloeide.

Om de variabelen die de cel-ECM-microstraalmechanica regelen systematisch te testen, de onderzoekers varieerden de celdichtheid, ECM-concentratie, microstraal diameter, en de materiaaleigenschappen van het omringende medium. Ze vonden een cascade van celgestuurd gedrag, inclusief balkknik, Uitmaken, en axiale contractie. Door klassieke mechanische theorieën aan te passen, ze ontdekten basisprincipes van de mechanica van weefselmicrobundels die kunnen worden gegeneraliseerd naar celtypen, ECM's, en ondersteunend materiaal voor bioprinten. "Deze basisprincipes kunnen worden uitgebreid naar andere vormen zoals platen en buizen, het mogelijk maken van een componentgerichte toekomst van mechanisch ontwerp in weefseltechnologie en biofabricage waarin stabiliteit en instabiliteit zijn geprogrammeerd in het weefselrijpingsproces, " zei Cameron Morley, co-eerste auteur. Morely is ook een Mechanical &Aerospace Engineering Ph.D. student begeleid door Dr. Angelini.

Hun baanbrekende bevinding, wat belangrijke implicaties heeft voor 3D-strategieën voor biofabricage en het ontwerp van dynamische meercellige assemblages in regeneratieve geneeskunde, evenals tissue engineering toepassingen, wordt gepubliceerd in het juli-nummer van Natuurcommunicatie .

De resultaten van dit onderzoek zullen worden gebruikt in een spannend nieuw project dat Dr. Angelini en zijn team voor zachte materie-engineering net zijn begonnen, die de ontwikkeling omvat van geavanceerde 3D-leverweefselmodellen voor toepassingen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen. "BioFabUSA, een door het ministerie van Defensie gefinancierd Manufacturing U.S. Institute, gerund door The Advanced Regenerative Manufacturing Institute (ARMI), financiert het project."

Volgens het projectvoorstel het doel is om microweefsels te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt in commerciële toepassingen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen. Het doel van het onderzoek is om in vitro bio-gefabriceerde levermicroweefsels van gedefinieerde afmetingen en cellulaire samenstelling te genereren, die een hoge mate van reproduceerbaarheid zal hebben in termen van metrologie, cel functie, en celgevoeligheid voor geneesmiddelen en testverbindingen.

Het voorstel omvat drie onderdelen:

1. Een nieuw biofabricage- en 3D-kweeksysteem dat snelle, nauwkeurig, hoge resolutie 3D bio-printen van meerdere componenten, monitoring en analyse van microweefsel, en onderhoud van microweefsel door media-uitwisseling of passage;
2. Combinaties van levercellen en extracellulaire materialen 3D-geprint in tal van verschillende microstructuren die zullen worden gecontroleerd op responscriteria; en
3. Geavanceerde automatiserings- en technische oplossingen.

Het project zal een nauwe samenwerking zijn tussen UF en industriële partners. Onderzoekers van het project voorzien dat hun resultaten zullen leiden tot nieuwe producten, inclusief verpakte microweefsels die kunnen worden gebruikt om menselijke levertoxiciteit van farmaceutische verbindingen te modelleren bij geavanceerde ontwikkeling en testen van geneesmiddelen.

Dit project zal ook de instrumentatie produceren, technieken, en testen die nodig zijn om in de volgende fase van het onderzoek kleine surrogaten van een groot aantal verschillende soorten weefsel te biofabriceren.

Dr. Angelini vatte het werk van zijn team samen, "De toegewijde toewijding van ons laboratorium om de solide fundamenten van ons biofabricage 3D-kweeksysteem te bewijzen, maakt ons een betrouwbare partner bij uitstek in dit baanbrekende streven om effectieve medicijnen en behandelingen op een veiligere, sneller, goedkopere manier."

"Ingenieursonderzoekers dragen in toenemende mate rechtstreeks bij aan klinisch vertaalonderzoek dat zou kunnen resulteren in solide en onmiddellijke voordelen die van invloed zijn op mensen en bevolkingsgroepen. Wat Dr. Angelini en zijn studenten deden, was exemplarisch voor nieuwe ingenieurs die de samenleving van de toekomst zullen transformeren, " concludeerde Dr. Forrest Masters, Associate Dean of Research voor het Herbert Wertheim College of Engineering.