En ny metod möjliggör icke-invasiv övervakning av syremetabolism i celler som är 3-D bioprintade till komplexa levande strukturer. Detta kan bidra till studier av celltillväxt och interaktioner under vävnadsliknande förhållanden, samt för design av 3-D-tryckta konstruktioner som underlättar högre produktivitet av mikroalger i biofilmer eller bättre syretillförsel för stamceller som används i ben- och vävnadsrekonstruktionsarbete.

Ett internationellt team av forskare under ledning av professor Michael Kühl vid biologiska institutionen, Köpenhamns universitet, har precis publicerat ett genombrott inom 3-D bioprinting. Tillsammans med tyska kollegor vid Technical University of Dresden, Professor Kühls grupp implementerade syrekänsliga nanopartiklar i ett gelmaterial som kan användas för 3-D-utskrift av komplex, biofilm och vävnadsliknande strukturer som hyser levande celler samt inbyggda kemiska sensorer. Verket har precis publicerats i Avancerade funktionella material .

Kühl förklarar:"3D-utskrift är en utbredd teknik för att producera föremål i plast, metall och andra abiotiska material. Likaså, levande celler kan 3D-tryckas i biokompatibla gelmaterial (bioinks) och sådan 3D-bioprinting är ett område som utvecklas snabbt, t.ex. i biomedicinska studier, där stamceller odlas i 3D-tryckta konstruktioner som efterliknar den komplexa strukturen av vävnad och ben. Sådana försök saknar online -övervakning av den metaboliska aktiviteten hos celler som växer i biotryckta konstruktioner; för närvarande, sådana mätningar bygger till stor del på destruktiv provtagning. Vi har utvecklat en patentsökt lösning på detta problem. "

Gruppen utvecklade ett funktionaliserat biobläck genom att implementera självlysande syrekänsliga nanopartiklar i tryckmatrisen. När blått ljus exciterar nanopartiklarna, de avger rött självlysande ljus i proportion till den lokala syrekoncentrationen - ju mer syre, den mindre röda luminescensen. Fördelningen av röd luminescens och därmed syre över bioprintade levande strukturer kan avbildas med ett kamerasystem. Detta möjliggör online, icke-invasiv övervakning av syrefördelning och dynamik som kan kartläggas till tillväxt och distribution av celler i de 3-D bioprintade konstruktionerna utan behov av destruktiv provtagning.

Kühl säger, "Det är viktigt att tillsatsen av nanopartiklar inte förändrar biobläckets mekaniska egenskaper, t.ex. för att undvika cellstress och död under tryckprocessen. Vidare, nanopartiklarna ska inte hämma eller störa cellerna. Vi har löst dessa utmaningar, eftersom vår metod visar god biokompatibilitet och kan användas med mikroalger såväl som känsliga mänskliga cellinjer. "

Den nyligen publicerade studien visar hur biobläck funktionaliserade med sensornanopartiklar kan kalibreras och användas, t.ex., för övervakning av algfotosyntes och andning, samt stamcellsandning i bioprintade strukturer med en eller flera celltyper.

"Detta är ett genombrott inom 3D bioprinting. Det är nu möjligt att övervaka syremetabolismen och mikromiljön i celler online, och icke-invasivt i intakta 3D-tryckta levande strukturer, ", säger Prof. Kühl. "En viktig utmaning vid odling av stamceller i större vävnads- eller benliknande strukturer är att säkerställa en tillräcklig syretillförsel för cellerna. Med vår utveckling, det är nu möjligt att visualisera syreförhållandena i 3D-biotryckta strukturer, som t.ex. möjliggör snabb testning och optimering av stamcellstillväxt i olika designade konstruktioner."

Teamet är intresserat av att utforska nya samarbeten och tillämpningar av deras utveckling. Kühl säger, "3-D bioprinting med funktionaliserade biobläck är en kraftfull ny teknik som kan tillämpas inom många andra forskningsområden än biomedicin. Det är oerhört inspirerande att kombinera så avancerade material, vetenskap och sensorteknik med min forskning inom mikrobiologi och biofotonik, där vi för närvarande använder 3-D bioprinting för att studera mikrobiella interaktioner och fotobiologi."