Universiteit van Californië, San Diego NanoEngineers won een subsidie ​​van de National Institutes of Health (NIH) om de tools te ontwikkelen om biologisch afbreekbare frames te maken waarrond hartweefsel - inclusief functionele bloedvaten - zal groeien. Het ontwikkelen van methoden voor het kweken van weefsels die de fijnkorrelige details van de natuur nabootsen, inclusief vasculatuur, zou kunnen leiden tot doorbraken in de inspanningen om vervangende hartweefsels te laten groeien voor mensen die een hartaanval hebben gehad. Het werk zou ook kunnen leiden tot betere systemen voor het kweken en bestuderen van cellen, inclusief stamcellen, in het laboratorium.

Professor Shaochen Chen van het UC San Diego Department of NanoEngineering is de hoofdonderzoeker van de vierjarige subsidie ​​van $ 1,5 miljoen van de National Institutes of Health. De subsidie ​​financiert de ontwikkeling van het productieplatform dat nodig is om deze biologisch afbreekbare frames of 'steigers' te produceren.

"We maken biomaterialen met nanostructuren aan de binnenkant, "zei Chen. "Wetenschappelijk zijn er zoveel mogelijkheden op moleculair niveau, en nanoengineering past daar perfect bij. We verwachten dat ons nieuwe biofabricageplatform weefsels zal opleveren die natuurlijke weefsels veel beter nabootsen."

Een van die kansen is om nieuwe niveaus van precisie en functionaliteit toe te voegen aan de steigers die worden geproduceerd door het "biofabricageplatform" dat Chen en zijn medewerkers hebben uitgevonden en de afgelopen vijf jaar hebben verbeterd.

Met het verbeterde biofabricageplatform, ingenieurs van de afdeling NanoEngineering binnen de UC San Diego Jacobs School of Engineering zullen in staat zijn om steigers te produceren met nauwkeurig ontworpen systemen van poriën op nanoschaal en andere microarchitecturale details die bepalen hoe cellen met elkaar en met de omgeving omgaan.

"Je moet de poriën zo ontwerpen dat de cel voeding kan krijgen en afval kan dumpen... wegen voor de cel om te overleven in het systeem, ’ legde Chen uit.

De onderzoekers zijn ook van plan om steigers te maken met buizen, en bezaai dan die buizen met de cellen die de bloedvaten bekleden - endotheelcellen - om te proberen functionerende vasculaire systemen te genereren. Het ontbreken van bloedvaten in de meeste weefselregeneratiesystemen leidt tot celdood, verlies van functie, en beperkt de maximale grootte van geregenereerde weefsels.

In aanvulling, de chemische eigenschappen van de nieuwe steigers zullen van boven naar beneden veranderen, die chemische gradiënten zullen creëren die de celgroei stimuleren.

Net als in eerdere versies van Chen's steigerbouwsysteem, cellen worden ingekapseld in steigerwanden.

"Gebruikelijk, wanneer onderzoekers weefsel kweken, ze maken een steiger, zet de cellen in de steiger en laat de cellen groeien, " legde Chen uit. "Als we onze steigers maken, de cellen bevinden zich al binnen de wanden van de steiger." Het inkapselen van cellen binnen de wanden bevordert een uniforme uitzaaiing van cellen.

De steigers zullen gebaseerd zijn op natuurlijke materialen zoals hyaluronzuur, een belangrijk onderdeel van de "extracellulaire matrix" die structurele ondersteuning biedt, wond genezen, en een reeks andere functies voor menselijke en andere dierlijke weefsels.

"De hydrogels voor onze steigers mogen niet te zacht zijn, te plakkerig of te stijf. Ze moeten aansluiten bij de behoeften van het biologische weefsel, " zei Chen.

Medewerkers van de Harvard Medical School zullen de weefsels die op de steigers zijn gestart, groeien en karakteriseren.

Projectie Bioprinting

Om weefselsteigers te vervaardigen, Chen en collega's hebben een productieproces ontwikkeld en blijven verfijnen dat gebruikmaakt van licht, nauwkeurig gestuurde spiegels, en een computerprojectiesysteem. Eerst, de ingenieurs ontwerpen een driedimensionaal model van de te printen constructie. Volgende, de ingenieurs bereiden een oplossing voor die zowel de cellen bevat die uiteindelijk in het weefsel zullen groeien als de polymeren die in de steiger zullen stollen. Wanneer licht in de oplossing schijnt met behulp van de reeks spiegels, de steiger stolt volgens de exacte specificaties van het geprojecteerde beeld.

Door deze stappen te volgen, steigers worden vervaardigd en cellen worden ingekapseld in steigerwanden terwijl licht de polymeren laag voor laag stolt.

"Met ons biofabricageplatform we kunnen willekeurig bouwen, driedimensionale vormen, als takken van bloedvaten, en buizen - groot en klein, "zei Chen. Mijn focus ligt op het niveau van de fabricage van materialen en apparaten. Dit werk is van toepassing op veel verschillende soorten cellen en weefsels."