Een nieuwe manier om steigers voor biologische culturen te maken, zou het mogelijk kunnen maken om cellen te kweken die zeer uniform van vorm en grootte zijn, en mogelijk met bepaalde functies. De nieuwe aanpak maakt gebruik van een uiterst verfijnde vorm van 3D-printen, met behulp van een elektrisch veld vezels te trekken een tiende van de breedte van een mensenhaar.

Het systeem is ontwikkeld door Filippos Tourlomousis, een postdoc bij MIT's Center for Bits and Atoms, en zes anderen aan het MIT en het Stevens Institute of Technology in New Jersey. Het werk wordt vandaag gerapporteerd in het journaal Microsystemen en nano-engineering .

Veel functies van een cel kunnen worden beïnvloed door de micro-omgeving, dus een steiger die nauwkeurige controle over die omgeving mogelijk maakt, kan nieuwe mogelijkheden openen voor het kweken van cellen met bepaalde kenmerken, voor onderzoek of uiteindelijk zelfs voor medisch gebruik.

Terwijl gewoon 3D-printen filamenten produceert tot 150 micron (miljoensten van een meter), Tourlomousis zegt, het is mogelijk om vezels tot een breedte van 10 micron te krijgen door een sterk elektrisch veld toe te voegen tussen het mondstuk dat de vezel extrudeert en het platform waarop de structuur wordt afgedrukt. De techniek wordt smeltelektroschrijven genoemd.

"Als je cellen neemt en ze op een conventioneel 3D-geprint oppervlak plaatst, het is als een 2D-oppervlak voor hen, " hij legt uit, omdat de cellen zelf zo veel kleiner zijn. Maar in een gaasachtige structuur gedrukt met behulp van de elektroschrijfmethode, de structuur is op dezelfde schaal als de cellen zelf, en dus kunnen hun afmetingen en vormen en de manier waarop ze aan het materiaal hechten, worden gecontroleerd door de poreuze microarchitectuur van de gedrukte roosterstructuur aan te passen.

"Door op die schaal te kunnen afdrukken, je creëert een echte 3D-omgeving voor de cellen, ', zegt Tourlomousis.

Hij en het team gebruikten vervolgens confocale microscopie om de cellen te observeren die in verschillende configuraties van fijne vezels waren gegroeid, wat willekeurig, sommige nauwkeurig gerangschikt in mazen van verschillende afmetingen. Het grote aantal resulterende afbeeldingen werd vervolgens geanalyseerd en geclassificeerd met behulp van kunstmatige-intelligentiemethoden, om de celtypen en hun variabiliteit te correleren met de soorten micro-omgeving, met verschillende afstanden en rangschikkingen van vezels, waarin ze zijn gekweekt.

Cellen vormen eiwitten die bekend staan ​​als focale verklevingen op de plaatsen waar ze zich aan de structuur hechten. "Focale verklevingen zijn de manier waarop de cel communiceert met de externe omgeving, " zegt Tourlomousis. "Deze eiwitten hebben meetbare kenmerken over het hele cellichaam waardoor we metrologie kunnen doen. We kwantificeren deze kenmerken en gebruiken ze om heel precies individuele celvormen te modelleren en te classificeren."

Voor een gegeven mesh-achtige structuur, hij zegt, "we laten zien dat cellen vormen krijgen die direct gekoppeld zijn aan de architectuur van het substraat en met de smelt-elektrogeschreven substraten, " het bevorderen van een hoge mate van uniformiteit in vergelijking met nonwoven, willekeurig gestructureerde ondergronden. Dergelijke uniforme celpopulaties kunnen mogelijk nuttig zijn in biomedisch onderzoek, hij zegt:"Het is algemeen bekend dat celvorm de celfunctie regelt en dit werk suggereert een vormgestuurde route voor het met grote precisie construeren en kwantificeren van celreacties, " en met grote reproduceerbaarheid.

Hij zegt dat in recent werk, hij en zijn team hebben aangetoond dat bepaalde soorten stamcellen die in dergelijke 3D-geprinte mazen worden gekweekt, veel langer overleefden zonder hun eigenschappen te verliezen dan die op een conventioneel tweedimensionaal substraat. Dus, er kunnen medische toepassingen zijn voor dergelijke constructies, misschien als een manier om grote hoeveelheden menselijke cellen te laten groeien met uniforme eigenschappen die kunnen worden gebruikt voor transplantatie of om het materiaal te leveren voor het bouwen van kunstmatige organen, hij zegt. Het materiaal dat voor het printen wordt gebruikt, is een polymeersmelt die al is goedgekeurd door de FDA.

De behoefte aan strakkere controle over de celfunctie is een belangrijke wegversperring om tissue engineering-producten naar de kliniek te krijgen. Eventuele stappen om specificaties op de steiger aan te scherpen, en daardoor ook de variantie in celfenotype aanscherpen, zijn hard nodig in deze industrie, zegt Tourlomousis.

Het afdruksysteem kan ook andere toepassingen hebben, zegt Tourlomousis. Bijvoorbeeld, het zou mogelijk kunnen zijn om "metamaterialen" te printen - synthetische materialen met gelaagde of patroonstructuren die exotische optische of elektronische eigenschappen kunnen produceren.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.