Elke dag sterven in de Verenigde Staten 17 mensen terwijl ze wachten op een orgaantransplantatie, en elke negen minuten wordt er een andere persoon toegevoegd aan de wachtlijst voor transplantatie, volgens de Health Resources and Services Administration. Een mogelijke oplossing om het tekort te verminderen, is het ontwikkelen van biomaterialen die driedimensionaal (3D) kunnen worden geprint als complexe orgaanvormen, die cellen kunnen herbergen en weefsels kunnen vormen. Pogingen tot nu toe zijn echter mislukt, waarbij de zogenaamde bulk-hydrogel-bioinks niet goed in het lichaam integreren en cellen in dikke weefselconstructies ondersteunen.

Nu hebben Penn State-onderzoekers een nieuwe nano-engineered granulaire hydrogel bioink ontwikkeld die gebruik maakt van zelf-assemblerende nanodeeltjes en hydrogel microdeeltjes, of microgels, om voorheen onbereikte niveaus van porositeit, vormgetrouwheid en celintegratie te bereiken.

Het team publiceerde hun aanpak in het tijdschrift Small . Hun werk zal te zien zijn op de omslag van het tijdschrift.

"We hebben een nieuwe korrelige hydrogel-bioinkt ontwikkeld voor het 3D-extrusie-bioprinten van microporeuze scaffolds voor weefselengineering", zegt de corresponderende auteur Amir Sheikhi, Penn State-assistent-professor chemische technologie die een beleefdheidsaanstelling heeft in biomedische technologie. "We hebben de eerdere beperkingen van 3D-bioprinting van korrelige hydrogels overwonnen door de microgels omkeerbaar te binden met behulp van nanodeeltjes die zichzelf assembleren. Dit maakt de fabricage mogelijk van korrelige hydrogel-bioink met goed bewaarde microporositeit, verbeterde bedrukbaarheid en vormgetrouwheid."

Tot op heden zijn de meeste bioinks gebaseerd op bulk-hydrogels - polymeernetwerken die een grote hoeveelheid water kunnen vasthouden met behoud van hun structuur - met poriën op nanoschaal die cel-cel- en cel-matrix-interacties evenals zuurstof- en nutriëntenoverdracht beperken. Ze vereisen ook degradatie en/of hermodellering om celinfiltratie en -migratie mogelijk te maken, waardoor de integratie van bioinkt-weefsel wordt vertraagd of geremd.

"De belangrijkste beperking van 3D-bioprinten met conventionele bulk-hydrogel-bioinks is de afweging tussen vormgetrouwheid en levensvatbaarheid van de cellen, die wordt gereguleerd door hydrogelstijfheid en porositeit," zei Sheikhi. "Het verhogen van de stijfheid van de hydrogel verbetert de betrouwbaarheid van de constructie, maar vermindert ook de porositeit, waardoor de levensvatbaarheid van de cellen in gevaar komt."

Om dit probleem op te lossen, begonnen wetenschappers in het veld microgels te gebruiken om scaffolds voor weefselengineering samen te stellen. In tegenstelling tot de bulk hydrogels waren deze granulaire hydrogel scaffolds in staat om 3D constructies in situ te vormen, de porositeit van de gecreëerde structuren te reguleren en de stijfheid van hydrogels los te koppelen van de porositeit.

Levensvatbaarheid en migratie van de cellen bleven echter een probleem, zei Sheikhi. Om de positieve eigenschappen tijdens het 3D-printproces te bereiken, moeten korrelige hydrogels stevig op elkaar worden gepakt, waardoor de ruimte tussen microgels in gevaar komt en de porositeit negatief wordt beïnvloed, wat op zijn beurt de levensvatbaarheid en beweeglijkheid van de cellen negatief beïnvloedt.

De benadering van de Penn State-onderzoekers pakt het "jamming" -probleem aan terwijl de positieve eigenschappen van de korrelige hydrogels behouden blijven door de plakkerigheid van microgels aan elkaar te vergroten. De microgels klampen zich aan elkaar vast, waardoor de noodzaak voor een strakke verpakking als gevolg van de grensvlakke zelfassemblage van nanodeeltjes die aan microgels zijn geadsorbeerd, wordt weggenomen en de poriën op microschaal behouden blijven.

"Ons werk is gebaseerd op het uitgangspunt dat nanodeeltjes kunnen adsorberen op polymere microgeloppervlakken en de microgels omkeerbaar aan elkaar kunnen hechten, zonder de poriën tussen de microgels te vullen," zei Sheikhi. "Het omkeerbare adhesiemechanisme is gebaseerd op heterogeen geladen nanodeeltjes die dynamische binding kunnen geven aan los gepakte microgels. Dergelijke dynamische bindingen kunnen zich vormen of breken bij het loslaten of uitoefenen van schuifkracht, waardoor de 3D-bioprintbaarheid van microgelsuspensies mogelijk wordt zonder ze dicht op elkaar te pakken."

De onderzoekers zeggen dat deze technologie kan worden uitgebreid naar andere granulaire platforms die bestaan ​​uit synthetische, natuurlijke of hybride polymere microgels, die aan elkaar kunnen worden geassembleerd met behulp van vergelijkbare nanodeeltjes of andere fysieke en/of chemische methoden, zoals door lading geïnduceerde omkeerbare binding , gast-gast interacties of dynamische covalente bindingen.

Volgens Sheikhi zijn de onderzoekers van plan om te onderzoeken hoe de nanoengineered granulaire bioink verder kan worden toegepast voor tissue engineering en regeneratie, orgaan/weefsel/ziekte-modellen-op-een-chip, en in situ 3D bioprinting van organen.

"Door een van de hardnekkige uitdagingen in het 3D-bioprinten van granulaire hydrogels aan te pakken, zou ons werk nieuwe wegen kunnen openen in tissue engineering en het printen van functionele organen," zei Sheikhi. + Verder verkennen

Wetenschappers bioprinten weefselachtige constructies die in staat zijn tot gecontroleerde, complexe vormverandering