Vezelachtige eiwitten zoals collageen en fibrinogeen vormen een dunne vaste laag op het oppervlak van een waterige oplossing, vergelijkbaar met de "huid" die zich vormt op warme melk, volgens een team van Penn State-onderzoekers, die geloven dat deze bevinding zou kunnen leiden tot efficiëntere bioprinting en tissue engineering.

In het menselijk lichaam, vezelachtige eiwitten bieden structurele ondersteuning voor cellen en weefsels en helpen bij de biomechanica. Collageen vormt 80% van onze huid en 10% van onze spieren, terwijl fibrinogeen helpt bij de bloedstolling door het hydrogelfibrine te vormen.

"Collageen- en fibrinogeen-eiwitoplossingen worden veel gebruikt als voorlopers van collageen- en fibrine-hydrogels in toepassingen voor weefselengineering, " zei Hemanth Gudapati, afgestudeerde student in de ingenieurswetenschappen en mechanica. "Dit komt omdat collageen en fibrine, die worden gebruikt als structurele materialen voor weefselmanipulatie, vergelijkbaar met hun rol in het menselijk lichaam, zijn niet giftig, biologisch afbreekbaar en bootst de natuurlijke micro-omgeving van cellen na."

Gudapati en collega-onderzoekers rapporteren, in Zachte materie , voor het eerst dat vezelachtige eiwitten een vaste laag vormen op het wateroppervlak door aggregatie van eiwitten aan het lucht/water-grensvlak. Deze vaste laag verstoort nauwkeurige metingen van de reologie van de oplossing, dat is de studie van vloeistofeigenschappen zoals stroming. Eerder, er werd alleen aangetoond dat het andere hoofdtype eiwit, bolvormige eiwitten, vormden deze vaste lagen op het grensvlak lucht/water.

Nauwkeurige reologiemetingen zijn van vitaal belang voor succesvol bioprinten. Meting van de viscositeit is belangrijk om te bepalen welke eiwitoplossingen mogelijk afdrukbaar zijn, en voor het detecteren van inconsistenties in stromingsgedrag tussen verschillende partijen vezelachtige eiwitten.

"Collageen en fibrinogeen worden gewonnen uit dieren, en hun stroomgedrag verandert van batch tot batch en met de tijd, ' zei Gudapati.

Dit leidt op zijn beurt tot een uitdaging voor consistente bioprintresultaten.

"Nauwkeurige meting van stromingsgedrag helpt bij betrouwbare of consistente levering van de eiwitoplossingen tijdens bioprinten, " zei Gudapati. "Dit helpt bij de fabricage van dingen zoals betrouwbare organ-on-chip-apparaten en ziektemodellen."

Een mogelijke oplossing voor nauwkeurige meting is het toevoegen van een oppervlakteactieve stof zoals polysorbaat 80 om de vorming van film op het lucht/water-grensvlak te voorkomen.

Het onderzoek identificeert ook de concentraties van eiwitoplossingen die mogelijk kunnen worden geprint via inkjet bioprinting, samen met het identificeren van operationele parameters voor bioprinten.

Gudapati zei dat er andere bevindingen in hun onderzoek waren die verder onderzoek vereisen. Deze omvatten de mogelijkheid dat de geaggregeerde vezelachtige eiwitten op het grensvlak lucht/water vrijkomen van het grensvlak en dat deze eiwitaggregaten verdere accumulatie van de eiwitten in de oplossingen kunnen veroorzaken.

"De verdere bulkaggregatie zou een van de redenen kunnen zijn voor een slechte uitlijning van collageenvezels of een slechte mechanische sterkte van fibrine buiten het lichaam, d.w.z., in vitro, wat zijn de uitdagingen waarmee weefselmanipulatietoepassingen momenteel worden geconfronteerd, ' zei Gudapati.

Het werk werd gedaan in het lab van Ibrahim Ozbolat, Hartz Family Career Development Universitair hoofddocent Engineering Science and Mechanics, in samenwerking met Ralph Colby, hoogleraar materiaalkunde en techniek en chemische technologie.

"Dr. Colby's werk met bolvormige eiwitoplossingen heeft ons werk beïnvloed, " zei Gudapati. "Bijvoorbeeld, we realiseerden ons dat de vezelachtige eiwitten zich aan het begin van ons onderzoek vergelijkbaar zouden kunnen gedragen als bolvormige eiwitten aan het lucht/water-grensvlak."