De toekomst van de geneeskunde is biologisch - en wetenschappers hopen dat we binnenkort 3D-geprint biologisch functioneel weefsel zullen gebruiken om onherstelbaar beschadigd weefsel in het lichaam te vervangen. Een team van onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB werkt al een aantal jaren samen met de Universiteit van Stuttgart aan een project om geschikte bio-inkten voor additive manufacturing te ontwikkelen en te optimaliseren. Door de samenstelling van het biomateriaal te variëren, de onderzoekers zijn er al in geslaagd hun portfolio uit te breiden met bot- en vascularisatie-inkten. Dat heeft de basis gelegd voor het maken van botachtige weefselstructuren met capillaire netwerken.

3D-printen wint niet alleen terrein in de productie, het wordt ook steeds belangrijker op het gebied van regeneratieve geneeskunde. Wetenschappers hopen nu deze additieve productiemethode te gebruiken om op maat gemaakte biocompatibele weefselsteigers te maken die onherstelbaar beschadigd weefsel zullen vervangen. Een team van onderzoekers van Fraunhofer IGB in Stuttgart werkt ook aan biobased inkten voor de productie van biologische implantaten in het laboratorium met behulp van 3D-printtechnieken. Om een ​​3D-object in de gewenste voorgeprogrammeerde vorm te maken, het team gebruikt een laag-voor-laag benadering om een ​​vloeibaar mengsel te printen dat bestaat uit biopolymeren zoals gelatine of hyaluronzuur, waterig medium en levende cellen. Deze bio-inkten blijven tijdens het printen in een stroperige staat en worden vervolgens blootgesteld aan UV-licht om ze te verknopen tot waterhoudende polymeernetwerken die hydrogels worden genoemd.

Gerichte chemische modificatie van biomoleculen

Wetenschappers kunnen de biomoleculen chemisch modificeren om de resulterende gels te voorzien van verschillende gradaties van verknoping en zwelbaarheid. Dit maakt het mogelijk om de consistentie van natuurlijk weefsel na te bootsen - van sterkere hydrogels voor kraakbeen tot zachtere gels voor vetweefsel. Ook in de viscositeit zijn brede aanpassingen mogelijk:"Bij kamertemperatuur van 21 graden Celsius, gelatine is zo stevig als gelei, wat niet goed is om te printen. Om temperatuurafhankelijke gelering te voorkomen en temperatuuronafhankelijk te kunnen verwerken, we 'maskeren' de zijketens van de biomoleculen die verantwoordelijk zijn voor het geleren van gelatine, " zegt dr. Achim Weber, hoofd van de Particle-Based Systems and Formulations Group, uitleggen van een van de belangrijkste uitdagingen die zich in het proces voordoen.

Een andere uitdaging is dat de gelatine chemisch moet worden verknoopt om te voorkomen dat het vloeibaar wordt bij temperaturen van ongeveer 37 graden. Om dit te behalen, het is twee keer gefunctionaliseerd:in dit geval, het onderzoeksteam heeft gekozen voor integratie van verknoopbare methacryl-groepen in de biomoleculen en vervangt zo verschillende delen van de niet-verknopende, het maskeren van acetylgroepen – een unieke benadering op het gebied van bioprinting. "We formuleren inkten die aangepaste omstandigheden bieden voor verschillende celtypes en weefselstructuren, " zegt dr. Kirsten Borchers, die verantwoordelijk is voor bioprintprojecten in Stuttgart.

In samenwerking met de Universiteit van Stuttgart, het team is er onlangs in geslaagd om twee verschillende hydrogelomgevingen te creëren:stijvere gels met minerale componenten voor botcellen, en zachtere gels zonder minerale componenten om bloedvatcellen in staat te stellen zichzelf te vormen tot capillairachtige structuren.

Bot- en vascularisatie-inkten

De onderzoekers zijn er al in geslaagd om botinkt te produceren op basis van de materialenkit die ze hebben gemaakt. Hun doel is om de cellen die in de kit zijn verwerkt in staat te stellen het oorspronkelijke weefsel te regenereren, met andere woorden om zelf botweefsel te vormen. Het geheim van het maken van de inkt ligt in een speciaal mengsel van het botmineraalpoeder hydroxylapatiet en biomoleculen. "De beste kunstmatige omgeving voor de cellen is er een die het dichtst bij de natuurlijke omstandigheden in het lichaam komt. Daarom wordt de rol van de weefselmatrix in onze geprinte weefsels gespeeld door biomaterialen die we genereren uit elementen van de natuurlijke weefselmatrix, ’ zegt de wetenschapper.

De vascularisatie-inkt vormt zachte gels die de vorming van capillaire structuren ondersteunen. In de inkten zijn cellen verwerkt die bloedvaten vormen. De cellen bewegen, migreren naar elkaar en vormen systemen van capillaire netwerken bestaande uit kleine buisvormige structuren. Als deze botvervanger geïmplanteerd zou worden, het biologische implantaat zou veel sneller verbinding maken met het bloedvatenstelsel van de ontvanger dan een implantaat zonder capillaire voorstructuren, zoals beschreven in de relevante literatuur. "Het zou waarschijnlijk onmogelijk zijn om grotere weefselstructuren met succes te 3D-printen zonder vascularisatie-inkt, ' zegt Weber.

Het nieuwste onderzoeksproject van het team uit Stuttgart betreft de ontwikkeling van matrices om kraakbeen te regenereren. "Welk type cel we ook isoleren van lichaamsweefsel en vermenigvuldigen in het laboratorium, we moeten een geschikte omgeving creëren waarin ze hun specifieke functies over langere tijd kunnen vervullen, " legt de bio-ingenieur van het team uit, Lisa Rebers.

Fraunhofer IGB zet zijn onderzoekswerk voort in het Mass Personalisatie High-Performance Center in Stuttgart als onderdeel van een gezamenlijk initiatief met het Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA en de Universiteit van Stuttgart. De interdisciplinaire werkgroep Additive4Life is verantwoordelijk voor het creëren van nieuwe technologieën en printbare biomaterialen voor bioprinting.