Dankzij onderzoek naar magnetische levitatie in omstandigheden van microzwaartekracht, wetenschappers hebben een nieuwe technologie ontwikkeld voor het 3D-printen van biologische weefsels. In de toekomst, deze technologie zal helpen om stralingsgevoelige biologische constructies te creëren en beschadigde weefsels en menselijke organen te herstellen. De resultaten zijn gepubliceerd in Biofabricage .

Er zijn veel methoden voor 3D-bioprinten. De meeste van hen gebruiken een bepaald laag-voor-laag raamwerk van de biologische weefsels. Het resulterende bulkmateriaal wordt vervolgens naar de incubator gestuurd waar de teelt verder gaat. Er zijn manieren waarop biologische objecten worden ontwikkeld zonder het gebruik van een meerlagenbenadering, bijvoorbeeld, magnetische bioprinting, waarbij het celmateriaal door middel van magnetische velden naar de gewenste plaats wordt geleid. In dit geval, de cellen moeten op de een of andere manier worden gelabeld met magnetische nanodeeltjes.

De onderzoekers van het bedrijf 3-D Bioprinting Solutions ontwikkelden in samenwerking met de andere Russische en buitenlandse wetenschappers de nieuwe methode, waarmee onderzoekers 3-D biologische objecten kunnen maken zonder het gebruik van laag-voor-laag benadering en magnetische labels. Deze nieuwe methode is ontwikkeld met de bijdrage van het Joint Institute for High Temperatures van de Russische Academie van Wetenschappen (JIHT RAS).

"Tijdens de periode van 2010 tot 2017, een reeks experimentele studies werden uitgevoerd aan boord van het Russische orbitale segment van het internationale ruimtestation met het experimentele apparaat Coulomb Crystal. Het belangrijkste element van het apparaat is een elektromagneet die een speciaal inhomogeen magnetisch veld creëert waarin de structuren van de diamagnetische deeltjes (ze zijn gemagnetiseerd tegen de richting van het magnetische veld) kunnen worden gevormd in de microzwaartekrachtomstandigheden, " zegt co-auteur Mikhail Vasiliev, hoofd laboratorium voor stoffige plasmadiagnostiek in JIHT RAS.

In hun experimenteel onderzoek de JIHT-onderzoekers beschreven hoe kleine geladen deeltjes zich gedragen in het magnetische veld van een speciale vorm onder de omstandigheden van microzwaartekracht, inclusief nul zwaartekracht. In aanvulling, de wetenschappers ontwikkelden een wiskundig model van dit proces op basis van de methoden van moleculaire dynamica. Deze resultaten verklaren hoe homogene en uitgebreide driedimensionale structuren kunnen worden verkregen die uit duizenden deeltjes bestaan.

De conventionele methoden van magnetische 3D-bioprinting hadden een aantal beperkingen in verband met de zwaartekracht. Om de invloed van de zwaartekracht te verminderen, men kan de kracht van magneten die het magnetische veld regelen, vergroten. Echter, dit zal de bioprinter aanzienlijk compliceren. De tweede manier is om de zwaartekracht te verminderen. Een groep wetenschappers van 3D Bioprinting Solutions gebruikte deze aanpak. De nieuwe methode wordt formatieve driedimensionale biofactory genoemd, en het creëert driedimensionale biologische structuren, niet in lagen, maar onmiddellijk van alle kanten. De onderzoekers pasten de experimentele gegevens en de resultaten van de wiskundige modellering van de JIHT RAS-wetenschappers toe om de vorm van dergelijke structuren te controleren.

"De resultaten van het Coulomb-kristalexperiment over de studie van de vorming van de ruimtelijk geordende structuren leidden tot de ontwikkeling van een nieuwe methode voor de vormende 3D-biofactory van de weefselachtige structuren op basis van de programmeerbare zelfassemblage van de levende weefsels en organen onder de omstandigheden van zwaartekracht en microzwaartekracht door middel van een inhomogeen magnetisch veld, " zei de auteur.

Bioprinters op basis van de nieuwe technologietoepassing zullen in staat zijn om verschillende biologische constructies te creëren die kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de nadelige effecten van ruimtestraling op de gezondheid van astronauten tijdens langdurige ruimtemissies in te schatten. In aanvulling, deze technologie zal in de toekomst de functie van de beschadigde weefsels en organen kunnen herstellen.