Ingenjörer från Brown University har visat en teknik för att göra 3D-tryckta biomaterial som kan brytas ned efter behov, vilket kan vara användbart vid tillverkning av invecklat mönstrade mikrofluidiska anordningar eller vid tillverkning av cellkulturer än som kan förändras dynamiskt under experiment.

"Det är lite som Legos, "sa Ian Wong, en biträdande professor i Brown's School of Engineering och medförfattare till forskningen. "Vi kan fästa polymerer tillsammans för att bygga 3D-strukturer, och sedan försiktigt lossa dem igen under biokompatibla förhållanden. "

Forskningen publiceras i tidskriften Lab on a Chip .

Brown-laget gjorde sina nya nedbrytbara strukturer med hjälp av en typ av 3D-tryckning som kallas stereolitografi. Tekniken använder en ultraviolett laser som styrs av ett datorstött designsystem för att spåra mönster över ytan på en fotoaktiv polymerlösning. Ljuset får polymererna att länka ihop, bilda fasta 3D-strukturer från lösningen. Spårningsprocessen upprepas tills ett helt objekt byggs nedifrån och upp.

Stereolitografisk utskrift använder vanligtvis fotoaktiva polymerer som länkar samman med kovalenta bindningar, som är starka men oåterkalleliga. För denna nya studie, Wong och hans kollegor ville försöka skapa strukturer med potentiellt reversibla joniska bindningar, som aldrig hade gjorts tidigare med ljusbaserad 3D-utskrift. Att göra det, forskarna gjorde prekursorlösningar med natriumalginat, en förening härledd från tång som är känd för att kunna joniska tvärbindning.

"Tanken är att bilagorna mellan polymerer ska lossna när jonerna tas bort, vilket vi kan göra genom att lägga till ett kelateringsmedel som tar tag i alla joner, "Sa Wong." På så sätt kan vi mönstra övergående strukturer som löser sig när vi vill att de ska. "

Forskarna visade att alginat verkligen kunde användas i stereolitografi. Och genom att använda olika kombinationer av joniska salter - magnesium, barium och kalcium - de kan skapa strukturer med varierande styvhet, som sedan kunde lösas upp med varierande hastigheter.

Forskningen visade också att flera sätt i sådana tillfälliga alginatstrukturer kan vara användbara.

"Det är ett användbart verktyg för tillverkning, "sade Thomas M. Valentin, en doktorsexamen student i Wongs lab på Brown och studiens huvudförfattare. Forskarna visade att de kunde använda alginat som en mall för att göra lab-on-a-chip-enheter med komplexa mikrofluidkanaler.

"Vi kan skriva ut kanalens form med alginat, skriv sedan ut en permanent struktur runt den med ett andra biomaterial, ”Sa Valentin.” Då löser vi helt enkelt bort alginatet och vi har en ihålig kanal. Vi behöver inte göra någon skärning eller komplex montering. "

Forskarna visade också att nedbrytbara alginatstrukturer är användbara för att skapa dynamiska miljöer för experiment med levande celler. De utförde en rad experiment med alginatbarriärer omgiven av mänskliga bröstceller, observera hur cellerna migrerar när barriären löses bort. Denna typ av experiment kan vara användbara för att undersöka sårläkningsprocesser eller migrering av celler i cancer.

Experimenten visade att varken alginatbarriären eller kelateringsmedlet som användes för att lösa upp den hade någon märkbar toxicitet för cellerna. Det tyder på att nedbrytbara alginatbarriärer är ett lovande alternativ för sådana experiment.

Biokompatibiliteten för alginatet är lovande för ytterligare framtida applikationer, inklusive tillverkning av byggnadsställningar för konstgjord vävnad och organ, säger forskarna.

"Vi kan börja tänka på att använda detta i konstgjorda vävnader där du kanske vill att kanaler som går genom det efterliknar blodkärl, "Wong sa." Vi kan eventuellt mäta kärlen med alginat och sedan lösa upp det som vi gjorde för mikrofluidkanalerna. "

Forskarna planerar att fortsätta experimentera med sina alginatstrukturer, letar efter sätt att finjustera sina styrka och styvhetsegenskaper, liksom nedbrytningstakten.