Weefselgroei en het gedrag van cellen kunnen bijzonder goed worden gecontroleerd en onderzocht door de cellen in een delicaat 3D-raamwerk in te bedden. Dit wordt bereikt met behulp van additieve 3D-printmethoden, de zogenaamde "bioprinting"-technieken. Echter, dit brengt een aantal uitdagingen met zich mee:Sommige methoden zijn erg onnauwkeurig of laten slechts een zeer kort tijdvenster toe waarin de cellen kunnen worden verwerkt zonder dat ze beschadigd raken. In aanvulling, de gebruikte materialen moeten tijdens en na het 3D-biopritingproces celvriendelijk zijn. Dit beperkt de verscheidenheid aan mogelijke materialen.

Aan de TU Wien (Wenen) is nu een bioprintproces met hoge resolutie ontwikkeld met volledig nieuwe materialen:dankzij een speciale "bio-inkt" voor de 3D-printer, cellen kunnen nu worden ingebed in een 3D-matrix die met micrometerprecisie wordt afgedrukt - met een afdruksnelheid van één meter per seconde, ordes van grootte sneller dan voorheen mogelijk was.

Het milieu doet ertoe

"Het gedrag van een cel hangt in grote mate af van de mechanische, chemische en geometrische eigenschappen van zijn omgeving, " zegt prof. Aleksandr Ovsianikov, hoofd van de onderzoeksgroep 3D Printing and Biofabrication van het Institute of Materials Science and Technology (TU Wien). "De structuren waarin de cellen zijn ingebed, moeten doorlaatbaar zijn voor voedingsstoffen, zodat de cellen kunnen overleven en zich kunnen vermenigvuldigen. Maar het is ook belangrijk of de structuren stijf of flexibel zijn, of ze stabiel zijn of in de loop van de tijd verslechteren."

Het is mogelijk om eerst geschikte structuren te produceren en ze vervolgens te koloniseren met levende cellen, maar deze benadering kan het moeilijk maken om de cellen diep in de steiger te plaatsen, en op die manier is het nauwelijks mogelijk om een ​​homogene celverdeling te bereiken. De veel betere optie is om de levende cellen direct in de 3D-structuur in te bedden tijdens de productie van de structuur - deze techniek staat bekend als 'bioprinting'.

Het printen van microscopisch fijne 3D-objecten is tegenwoordig geen probleem meer. Echter, het gebruik van levende cellen stelt de wetenschap voor geheel nieuwe uitdagingen:"Tot nu toe, er is gewoon een gebrek aan geschikte chemische stoffen, ", zegt Aleksandr Ovsianikov. "Je hebt vloeistoffen of gels nodig die stollen precies waar je ze verlicht met een gerichte laserstraal. Echter, deze materialen mogen niet schadelijk zijn voor de cellen, en het hele proces moet extreem snel gaan."

Twee fotonen tegelijk

Om een ​​extreem hoge resolutie te bereiken, aan de TU Wien worden al jaren twee-fotonpolymerisatiemethoden gebruikt. Deze methode maakt gebruik van een chemische reactie die pas op gang komt wanneer een molecuul van het materiaal tegelijkertijd twee fotonen van de laserstraal absorbeert. Dit is alleen mogelijk wanneer de laserstraal een bijzonder hoge intensiteit heeft. Op deze punten hardt de stof uit, terwijl het overal vloeibaar blijft. Daarom, deze twee-fotonmethode is het meest geschikt om uiterst fijne structuren met hoge precisie te produceren.

Echter, deze technieken met hoge resolutie hebben meestal het nadeel dat ze erg traag zijn, vaak in het bereik van micrometers of enkele millimeters per seconde. Aan de TU Wenen, echter, celvriendelijke materialen kunnen worden verwerkt met een snelheid van meer dan een meter per seconde, een beslissende stap voorwaarts. Alleen als het hele proces binnen een paar uur kan worden afgerond, is de kans groot dat de cellen overleven en zich verder ontwikkelen.

Talloze nieuwe opties

"Onze methode biedt veel mogelijkheden om de omgeving van de cellen aan te passen, " zegt Aleksandr Ovsianikov. Afhankelijk van hoe de structuur is gebouwd, het kan stijver of zachter worden gemaakt. zelfs prima, continue hellingen zijn mogelijk. Op deze manier, het is mogelijk om precies te definiëren hoe de structuur eruit moet zien om de gewenste soort celgroei en celmigratie mogelijk te maken. De laserintensiteit kan ook worden gebruikt om te bepalen hoe gemakkelijk de structuur in de loop van de tijd zal worden afgebroken.

Ovsianikov is ervan overtuigd dat dit een belangrijke stap voorwaarts is voor celonderzoek:"Met behulp van deze 3D-steigers, het is mogelijk om het gedrag van cellen te onderzoeken met voorheen onbereikbare nauwkeurigheid. Het is mogelijk om de verspreiding van ziekten te bestuderen, en als stamcellen worden gebruikt, het is zelfs mogelijk om op deze manier weefsel op maat te produceren."

Het onderzoeksproject is een internationale en interdisciplinaire samenwerking waarbij drie verschillende instituten van de TU Wenen betrokken waren:de onderzoeksgroep van Ovsianikov was verantwoordelijk voor de printtechnologie zelf, het Institute of Applied Synthesic Chemistry ontwikkelde snelle en celvriendelijke foto-initiatoren (de stoffen die het verhardingsproces initiëren wanneer ze verlicht worden) en het Institute of Lightweight Structures and Structural Biomechanics analyseerde de mechanische eigenschappen van de gedrukte structuren.