Extrusie-gebaseerd 3D-printen van bio-vaste stoffen, of "bioprinting", is een veelbelovende benadering voor het genereren van patiëntspecifieke, weefsel-engineered grafts. Een grote uitdaging bij bioprinten is echter dat de meeste momenteel gebruikte materialen niet de veelzijdigheid hebben om in een breed scala aan toepassingen te worden gebruikt.

Nieuwe nanotechnologie is ontwikkeld door een team van onderzoekers van de Texas A&M University die gebruikmaakt van colloïdale interacties van nanodeeltjes om complexe geometrieën af te drukken die weefsel- en orgaanstructuur kunnen nabootsen. Het team, geleid door Dr. Akhilesh Gaharwar, universitair hoofddocent en Presidential Impact Fellow bij de afdeling Biomedische Technologie, heeft colloïdale oplossingen van 2D-nanosilicaten geïntroduceerd als platformtechnologie om complexe structuren te printen.

2D-nanosilicaten zijn schijfvormige anorganische nanodeeltjes met een diameter van 20 tot 50 nanometer en een dikte van 1 tot 2 nanometer. Deze nanosilicaten vormen een "kaartenhuis"-structuur boven een bepaalde concentratie in water, een zogenaamde colloïdale oplossing.

Deze colloïdale oplossingen hebben aantrekkelijke eigenschappen bij het bestuderen van de vervorming van een materiaal, zoals verhoogde viscositeit en vloeispanning, evenals afschuifverdunning, waarbij de viscositeit onder spanning vermindert, en thixotroop gedrag, waarbij een materiaal vervormt als reactie op uitgeoefende krachten. Het Gaharwar Laboratory maakt gebruik van de reologische eigenschappen van deze nanosilicaten voor op extrusie gebaseerd 3D-printen.

De resultaten van het onderzoek van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Bioprinting .

Enkele grote uitdagingen bij op extrusie gebaseerd 3D-printen zijn het onvermogen om hoge en complexe structuren te printen, aangezien zachte materialen onder zwaartekracht stromen en geen zelfdragende structuren kunnen vormen. Om deze uitdagingen te overwinnen, gebruikten onderzoekers colloïdale nanosilicaten en demonstreerden ze als platformtechnologie voor bioprinten met behulp van drie verschillende benaderingen.

In de eerste benadering ontwierp Satyam Rajput, een afgestudeerde biomedische technologiestudent in het Gaharwar Laboratory en de hoofdauteur van het artikel, een afschuifverdunnende inkt bestaande uit nanosilicaten en in water oplosbare polymeren zoals agarose, alginaat, kappa-carrageen, gelatine , gelatine methacryloyl, polyethyleenglycol en N-isopropylacrylamide. De bedrukbare inktformule vertoonde een goede vormgetrouwheid.

In de tweede benadering demonstreerde het team het gebruik van nanosilicaten als offerinkt, een instrument dat is ontworpen om te falen en te worden verwijderd, om microfluïdische apparaten te ontwerpen voor in vitro ziektemodellering. Deze perfuseerbare apparaten kunnen voor verschillende toepassingen worden gebruikt voor het nabootsen en bestuderen van vasculaire fysiologie en vloeistofmechanica, ziektemodellen, weefselorganisatie en -functie, therapeutische weefselengineering en 3D-celcultuurmodellen en het screenen van medicijnen.

In de derde benadering gebruikten de onderzoekers een colloïdale nanosilicaatgel als ondersteunend bad voor 3D-printen door de oppervlaktespanning en zwaartekracht teniet te doen. Een reeks complexe structuren zoals een vertakt vat, dijbeen, meniscus, dubbele DNA-helix, hart en driebladige klep werden in het steunbad geprint.

"De veelzijdigheid van nanosilicaten zou op grote schaal kunnen worden toegepast op het gebied van additieve productie, weefseltechnologie, medicijnafgifte en medische hulpmiddelen", zei Gaharwar. + Verder verkennen

Mineralen kunnen de sleutel zijn tot het genezen van beschadigd weefsel