Meer dan 113, Momenteel staan ​​er 000 mensen op de nationale transplantatielijst. En met een tekort aan donateurs, dit betekent dat er elke dag ongeveer 20 mensen zullen sterven terwijl ze wachten op een orgaan, volgens het Amerikaanse ministerie van Volksgezondheid.

Maar dit kan veranderen dankzij onderzoekers van UC Berkeley, die een apparaat hebben ontwikkeld dat mogelijk van cruciaal belang is voor de levensvatbaarheid van bioprinten, een uitbreiding van 3D-printen die levend weefsel mogelijk maakt, bot, bloedvaten en zelfs hele organen die op aanvraag kunnen worden geprint. Een paper over dit werk is onlangs gepubliceerd in de Tijdschrift voor medische hulpmiddelen .

Momenteel, er zijn twee grote hindernissen die de orgeldruk in de weg staan. Omdat levende cellen en functionerende organen gespecialiseerde temperatuur en chemische omstandigheden nodig hebben om te overleven, cellen verslechteren tijdens het daadwerkelijke 3D-printen van een groot orgaan omdat het proces te traag is. En zelfs als het orgel in 3D kan worden geprint, de logistiek van het transport vereist opslag, wat altijd een knelpunt is geweest voor transplantaties.

Om celdood te minimaliseren tijdens het 3D-printen van een orgaan, de onderzoekers van Berkeley een techniek ontwikkelden die gebruikmaakt van parallellisatie, waarin meerdere printers tegelijkertijd 2D weefsellagen produceren. Deze 2D-lagen worden vervolgens laag voor laag gestapeld om 3D-structuren te vormen.

Om het opslagprobleem van deze vervaardigde orgels op te lossen, het team vertrouwde op zeven decennia aan kennis en technieken voor het behoud van afzonderlijke cellen. Hun techniek bevriest elke 2D-laag onmiddellijk nadat deze is samengevoegd in de 3D-structuur, en dit proces van het bevriezen van een enkele laag cellen biedt optimale omstandigheden om het bevriezingsproces te overleven, opslag en transport.

"Direct, bioprinting wordt voornamelijk gebruikt om een ​​klein volume weefsel te creëren. Het probleem met 3D bioprinten is dat het een heel langzaam proces is, dus je kunt niets groots printen omdat de biologische materialen zullen verslechteren tegen de tijd dat je klaar bent. Een van onze innovaties is dat we het materiaal tijdens het printen invriezen, zodat het biologische materiaal behouden blijft, en we kunnen de bevriezingssnelheid regelen, " zei Boris Rubinsky, hoogleraar werktuigbouwkunde en co-auteur van het artikel.

Rubinsky merkte ook op dat door weefsels eerst in 2D te printen en ze vervolgens op een ander station in een 3D-object te assembleren, zijn team versnelde de productie aanzienlijk door de printtijd in wezen te elimineren. Nadat de assemblagelijn van bioprinters parallel meerdere 2D-weefsellagen creëert, een robotarm - versterkt door master of engineering-studenten - pakt de laag op en voert deze naar een ander station. Daar, de weefsels worden op elkaar gestapeld om een ​​3D-object te creëren en door middel van bevriezing versmolten.

"Omdat elke laag wordt gestapeld om een ​​3D-structuur te vormen, een van de innovaties die we hebben geïmplementeerd, was om de 3D-structuur in een cryogeen bad te dompelen om het te bevriezen in plaats van het bad te laten vullen om elke laag te ontmoeten, " zei Joseph Sahyoun (Meng '18, ME) en co-auteur van het papier. "Met deze methode konden we de vriessnelheid nauwkeuriger controleren."

Naast organen, een andere mogelijke toepassing voor deze technologie is voedsel. Door laag voor laag te printen en te assembleren, kunnen fabrikanten verschillende texturen van voedsel verkennen. Het stelt hen ook in staat voedsel te ontwikkelen dat inspeelt op de behoeften van zieke mensen.

"Dysfagie komt veel voor bij de geriatrische populatie. Omdat deze patiënten moeite hebben met slikken, ze krijgen voedsel dat eigenlijk brij is, zodat ze geen trek hebben, en het probleem verergert, " zei Rubinsky. "Maar als je voedsel met textuur kunt creëren, dit is misschien smakelijker. Dan terwijl ze kauwen, het voedsel zal in hun mond smelten, zodat ze kunnen slikken en de voedingsstoffen kunnen krijgen. Met onze technologie kun je dat met elk soort voedsel doen."

Hij merkt op dat de technologie ook de ontwikkeling mogelijk maakt van de productie van diepvriesproducten op industriële schaal, waarbij de structuur van ijskristallen in het voedsel minutieus wordt gecontroleerd op de enkele cellaag door het hele product.

"Dit is belangrijk omdat de grootte van de ijskristallen en de homogeniteit van de ijskristallen een centraal element zijn in de kwaliteit van het diepvriesvoedsel, ’ zei Rubinsky.

Hoewel het concept van het stapelen van dunne lagen om een ​​3D-object te maken niet nieuw is voor productie, het is nieuw om dit te doen met biologische materialen.

"Er is een groot verschil tussen de materialen die bij conventioneel lamineren worden gebruikt, zoals papier, kunststoffen, keramiek en metalen – die stijf zijn, zelfs in dunne lagen, en biologische materie die voornamelijk bestaat uit vloeistof die veel minder is." zei Gideon Ukpai, een afgestudeerde student in Rubinsky's lab en hoofdauteur van het artikel."

Dus, het team gebruikte oordeelkundig ontworpen hydrofiele en hydrofobe stijve oppervlakken waarop de 2D-lagen zijn afgedrukt. Deze speciaal ontworpen lagen zorgen ervoor dat de 2D-lagen over afstanden kunnen worden getransporteerd, ongeacht de richting van de zwaartekracht, voor plaatsing op een 3D-object.

Naast onderzoek, Ukpai diende ook als mentor voor de master of engineering-studenten, die allemaal als co-auteurs op het papier staan. Voor toekomstig onderzoek, Ukpai en een nieuw cohort van masterstudenten ingenieurswetenschappen van het Fung Institute zullen werken aan een betere optimalisatie van dit proces, karakteriseren van de producten en bepalen van de juiste scenario's die de meeste voordelen bieden.