Wetenschappers aan de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een manier gevonden om zonnebloempollen te gebruiken om een ​​3D-printinktmateriaal te ontwikkelen dat kan worden gebruikt om onderdelen te fabriceren die nuttig zijn voor tissue engineering, toxiciteitstesten en medicijnafgifte.

Deze van stuifmeel afgeleide inkt kan zijn vorm behouden wanneer hij op een oppervlak wordt aangebracht, waardoor het een levensvatbaar alternatief is voor de huidige inkten die worden gebruikt voor 3D-printen op biomedisch gebied (ook bekend als bioprinting). Dergelijke inkten zijn meestal zacht en delicaat, waardoor het een uitdaging is om de gewenste 3D-vorm en structuur van het eindproduct te behouden terwijl de bioprinter de inkt laag voor laag neerslaat.

Om de functionaliteit van hun op pollen gebaseerde 3D-printinkt te illustreren, de wetenschappers van NTU Singapore hebben een biologisch weefsel 'scaffold' geprint waarvan in laboratoriumstudies is aangetoond dat het geschikt is voor celadhesie en groei, die essentieel zijn voor weefselregeneratie.

Dit nieuwe gebruik voor stuifmeel, beschreven in een wetenschappelijk artikel dat de omslag was van een wetenschappelijk tijdschrift Geavanceerde functionele materialen, benadrukt zijn potentieel als duurzaam alternatief materiaal voor de huidige bioprintinkten, aldus het onderzoeksteam.

De co-hoofdauteur van de studie, professor Cho Nam-Joon van de NTU School of Materials Sciences and Engineering, zei:"Bioprinten kan een uitdaging zijn omdat het materiaal van de gebruikte inkten doorgaans te zacht is, wat betekent dat de structuur van het beoogde product tijdens het printen kan instorten. Door de mechanische eigenschappen van zonnebloempollen af ​​te stemmen, we hebben een op pollen gebaseerde hybride inkt ontwikkeld die kan worden gebruikt om structuren met een goede structurele integriteit te printen. Het gebruik van stuifmeel voor 3D-printen is een belangrijke prestatie, aangezien het proces om de op stuifmeel gebaseerde inkt te maken duurzaam en betaalbaar is. Aangezien er talrijke soorten stuifmeelsoorten zijn met verschillende groottes, vormen, en oppervlakte-eigenschappen, pollen-microgelsuspensies kunnen mogelijk worden gebruikt om een ​​nieuwe klasse van milieuvriendelijke 3D-printmaterialen te creëren."

Onderzoek mede-hoofdauteur Assistent-professor Song Juha van de NTU School of Chemical and Biomedical Engineering zei:"Onze bevindingen kunnen nieuwe deuren openen naar op maat gemaakte flexibele membranen die precies passen bij de contouren van de menselijke huid, zoals wondverbandpleisters of gezichtsmaskers. Dergelijke zachte en flexibele membranen worden meestal vervaardigd op basis van een platte geometrie, wat resulteert in problemen zoals breuken in de lagen of een slechte pasvorm bij toepassing op grote huidoppervlakken, zoals het gezicht of gebieden die vaak bewegen zoals de gewrichten. Met behulp van onze op pollen gebaseerde 3D-printinkt, die biocompatibel is, flexibel, en laag in kosten, we kunnen membranen maken die zijn afgestemd op de contouren van de menselijke huid en die kunnen buigen zonder te breken."

Het onderzoeksteam omvat ook assistent-professor Jang Taesik van de Chosun University in Zuid-Korea.

Professor Paul S. Weiss, Distinguished Professor Chemie &Biochemie, Bio-engineering, en van Materials Science and Engineering aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, die niet bij het onderzoek betrokken was, zei dat "stuifmeel een fascinerend en duurzaam bionanomateriaal is met talloze toepassingen. Lied, Cho, en hun teams hebben het nu toegevoegd aan het arsenaal van wat op grotere schaal kan worden gestructureerd door middel van additieve fabricage, 3d printen, door het in een inkt te verwerken."

Dr. Jeffrey S. Glenn, Directeur van het Center for Hepatitis and Liver Tissue Engineering bij Stanford Medicine, die niet bij het onderzoek betrokken was, voegde toe dat "dit een zeer opwindend papier is dat de mogelijkheid aantoont om aangepaste structuren voor productie en medicijnafgifte in 3D te printen met een duurzame, goedkoop, en niet-giftig materiaal."

Hoe de op pollen gebaseerde hybride inkt wordt ontwikkeld

De meest gebruikte bioprintmethode van vandaag is op extrusie gebaseerde bioprinting, waarin inkt continu uit spuitmonden wordt gedoseerd en langs digitaal gedefinieerde paden wordt afgezet om laag voor laag 3D-structuren te fabriceren.

Een van de uitdagingen van deze methode is de moeilijkheid om de 3D-structuren en vormen van zachte delicate materialen zoals hydrogels, cellen, en biopolymeren zonder extra ondersteuning. Een structuur die een ondersteunende matrix wordt genoemd, waarbinnen de zachte inkt wordt afgezet tijdens het drukproces, wordt typisch gebruikt. Echter, dit creëert afval omdat de ondersteunende matrix onbruikbaar wordt na het printen.

Asst Prof Song zei:"Eerdere onderzoeksinspanningen waren gericht op het ontwikkelen van speciale bio-inkten voor efficiënte afzetting en bedrukbaarheid door hydrogels te mengen met vezels of deeltjes. Het belangrijkste nadeel van dergelijke hydrogel-composietinkten is verstopping van de spuitmonden, wat een belangrijker probleem is bij inkten met een hoger gehalte aan dergelijke vezels of deeltjes. De op pollen gebaseerde hybride inkt die we hebben ontwikkeld, in tegenstelling tot, mechanisch sterk genoeg is om zijn structuur te behouden zonder de printer te blokkeren."

Het ontwikkelingsproces van de op pollen gebaseerde hybride inkt begint met het zes uur incuberen van taai zonnebloemstuifmeel in een alkalische oplossing - een milieuvriendelijk proces dat vergelijkbaar is met het maken van zeep - om microgeldeeltjes van stuifmeel te vormen.

De pollenmicrogel wordt vervolgens gemengd met hydrogels zoals alginaat, een natuurlijk voorkomend polymeer dat typisch wordt verkregen uit bruin zeewier, of hyaluronzuur, een duidelijke, kleverige substantie die van nature door het lichaam wordt aangemaakt, om de uiteindelijke pollen-hydrogel hybride inkt te vormen.

Op pollen gebaseerde steiger voor celcultuur en medicijnafgifte

Als proof-of-concept, de wetenschappers printten een vijflaagse tissue engineering-steiger, nuttig voor het kweken van cellen, over 12 minuten. Collageen werd vervolgens aan de steiger toegevoegd om ankerpunten te bieden waaraan cellen kunnen hechten en groeien.

De wetenschappers zaaiden vervolgens menselijke cellen op het schavot en ontdekten dat het een hoge celzaai-efficiëntie had van 96 procent tot 97 procent. Dit zijn vergelijkbare prestaties als de omgekeerde colloïdale kristal (ICC) hydrogels die op grote schaal worden gebruikt als 3D-celkweekplatforms, maar die tijdrovend en arbeidsintensief zijn om te fabriceren.

Aangezien stuifmeel reageert op pH-veranderingen - wanneer een omgeving zuur of alkalisch wordt - testte het NTU-team ook de levensvatbaarheid van de 3D-steiger als een stimulus-responsief medicijnafgiftesysteem. Toen een fluorescerende rode kleurstof op de steiger werd gedruppeld, de wetenschappers ontdekten dat de pollenmicrogeldeeltjes de kleurstof geleidelijk in de steiger afgaven. De hoeveelheid en snelheid van afgifte namen toe met de toevoeging van een zuur. Dit toont aan dat er potentieel is om de stuifmeelsteiger te gebruiken als een medicijnafgiftesysteem met gecontroleerde afgifte, zeiden de wetenschappers. Prof Cho zei:"Microgeldeeltjes van pollen hebben een holle schaalstructuur, wat betekent dat ze mogelijk gebruikt kunnen worden om drugs te vervoeren, cellen, of biomoleculen in medicijnafgifteplatforms met aangepaste 3D-structuren. We bekijken nu hoe we deze pollenmicrogel-steigers kunnen gebruiken voor 3D-celcultuurplatforms in verschillende biomedische toepassingen.

"Er is ook potentieel om de op pollen gebaseerde scaffold te gebruiken als een slimme medicijndrager, gezien het stimulus-responsieve karakter van pollen. Bijvoorbeeld, we kunnen de afgifte van medicijnen verder vertragen door de op pollen gebaseerde steiger te coaten met een dunne laag alginaat, en stimuleer de afgifte door een zuur in te brengen."

Op stuifmeel gebaseerde steunstructuur voor zachte 3D-printinkten

De wetenschappers ontdekten ook dat de zachte en flexibele microgeldeeltjes van pollen, afgeleid van taaie stuifmeelkorrels, zou kunnen dienen als een recyclebare ondersteuningsmatrix, voor gebruik bij 3D-printen in vrije vorm, waarin zachte inkt wordt afgezet. De steunmatrix voorkomt dat de gedrukte structuur instort terwijl de inkt uithardt.

Om de haalbaarheid van hun aanpak te testen, de wetenschappers vervaardigden een 3D-geprint siliconenrubbergaas voor de elleboog met behulp van stuifmeelmicrogel als ondersteuning die de vorm van het ellebooggaas zou behouden terwijl het wordt afgedrukt.

Na uitharding van het bedrukte product bij 75°C (167°F) gedurende 24 uur in de pollenmicrogel, de wetenschappers ontdekten dat het bedrukte 3D-siliconenrubbergaas zich kon aanpassen aan de kromming van de menselijke elleboog. Ze ontdekten ook dat de mechanische eigenschappen van de siliconenrubbermonsters die zijn afgedrukt en uitgehard in de stuifmeelmicrogel-ondersteunende matrix vergelijkbaar waren met die van monsters die waren vervaardigd via de traditionele gietmethode.

Het gebruik van stuifmeel op biomedisch gebied bouwt voort op het oeuvre van het NTU-onderzoeksteam over het hergebruik van stuifmeelkorrels, een natuurlijke hernieuwbare hulpbron, tot een bouwsteen voor verschillende milieuvriendelijke alternatieve materialen, van milieuvriendelijk papier tot biologisch afbreekbare sponzen die olieverontreinigende stoffen kunnen opnemen.

Dit onderzoek sluit aan bij de onderzoeksambities van NTU in haar strategisch plan voor 2025 om uitvindingen en creativiteit te vertalen in resultaten die de economische voordelen en kwaliteit van leven verbeteren.

Het team is nu op zoek naar samenwerking met de industrie om hun innovatie op het gebied van 3D-printen te verfijnen en de commerciële acceptatie ervan te bevorderen.