Vävnadstillväxt och cellers beteende kan kontrolleras och undersökas särskilt väl genom att bädda in cellerna i en delikat 3D-ram. Detta uppnås med hjälp av additiva 3D-utskriftsmetoder – så kallade "bioprinting"-tekniker. Dock, detta innebär ett antal utmaningar:Vissa metoder är mycket oprecisa eller tillåter bara ett mycket kort tidsfönster där cellerna kan bearbetas utan att skadas. Dessutom, de material som används måste vara cellvänliga under och efter 3D-biopriteringsprocessen. Detta begränsar mängden möjliga material.

En högupplöst bioprintprocess med helt nya material har nu utvecklats vid TU Wien (Wien):Tack vare ett speciellt "biobläck" för 3-D-skrivaren, celler kan nu bäddas in i en 3D-matris som skrivs ut med mikrometerprecision - med en utskriftshastighet på en meter per sekund, storleksordningar snabbare än vad som tidigare varit möjligt.

Miljön spelar roll

"En cells beteende beror mycket på det mekaniska, kemiska och geometriska egenskaper hos dess miljö, " säger prof. Aleksandr Ovsianikov, chef för forskningsgruppen 3D-tryckning och biofabrikation vid Institute of Materials Science and Technology (TU Wien). "Strukturerna som cellerna är inbäddade i måste vara genomsläppliga för näringsämnen så att cellerna kan överleva och föröka sig. Men det är också viktigt om strukturerna är styva eller flexibla, om de är stabila eller försämras med tiden. "

Det är möjligt att först producera lämpliga strukturer och sedan kolonisera dem med levande celler – men detta tillvägagångssätt kan göra det svårt att placera cellerna djupt inne i ställningen, och det är knappast möjligt att uppnå en homogen cellfördelning på det sättet. Det mycket bättre alternativet är att bädda in de levande cellerna direkt i 3D-strukturen under produktionen av strukturen - denna teknik är känd som "bioprinting".

Att skriva ut mikroskopiskt fina 3D-objekt är inte längre ett problem idag. Dock, användningen av levande celler ställer vetenskapen inför helt nya utmaningar:"Fram till nu, det har helt enkelt saknats lämpliga kemiska ämnen, " säger Aleksandr Ovsianikov. "Du behöver vätskor eller geler som stelnar exakt där du belyser dem med en fokuserad laserstråle. Dock, dessa material får inte vara skadliga för cellerna, och hela processen måste ske extremt snabbt. "

Två fotoner samtidigt

För att uppnå en extremt hög upplösning, tvåfotonpolymerisationsmetoder har använts vid TU Wien i åratal. Denna metod använder en kemisk reaktion som bara initieras när en molekyl av materialet samtidigt absorberar två fotoner av laserstrålen. Detta är endast möjligt när laserstrålen har en särskilt hög intensitet. Vid dessa punkter härdar ämnet, medan det förblir flytande överallt annars. Därför, denna tvåfotonmetod är bäst lämpad för att producera extremt fina strukturer med hög precision.

Dock, dessa högupplösta tekniker har vanligtvis nackdelen att de är mycket långsamma – ofta i intervallet mikrometer eller några millimeter per sekund. På TU Wien, dock, cellvänliga material kan bearbetas med en hastighet av mer än en meter per sekund-ett avgörande steg framåt. Endast om hela processen kan slutföras inom några timmar är det god chans att cellerna överlever och utvecklas vidare.

Många nya alternativ

"Vår metod ger många möjligheter att anpassa cellmiljön, " säger Aleksandr Ovsianikov. Beroende på hur strukturen är byggd, den kan göras styvare eller mjukare. Till och med bra, kontinuerliga lutningar är möjliga. På det här sättet, det är möjligt att definiera exakt hur strukturen ska se ut för att tillåta önskad typ av celltillväxt och cellmigration. Laserintensiteten kan också användas för att bestämma hur lätt strukturen kommer att brytas ned över tiden.

Ovsianikov är övertygad om att detta är ett viktigt steg framåt för cellforskning:"Med dessa 3D-ställningar, det är möjligt att undersöka cellers beteende med tidigare ouppnåelig noggrannhet. Det är möjligt att studera spridningen av sjukdomar, och om stamceller används, det är till och med möjligt att producera skräddarsydd vävnad på detta sätt. "

Forskningsprojektet är ett internationellt och tvärvetenskapligt samarbete där tre olika institut vid TU Wien var involverade:Ovsianikovs forskargrupp ansvarade för själva trycktekniken, Institutet för tillämpad syntetisk kemi utvecklade snabba och cellvänliga fotoinitiatorer (de ämnen som initierar härdningsprocessen vid belysning) och Institutet för lätta strukturer och strukturell biomekanik analyserade de mekaniska egenskaperna hos de tryckta strukturerna.