Forskare har kombinerat laser 3D-utskriftsteknik och en alternativ blötläggningsprocess för att konstruera komplexa 3D-strukturer som efterliknar benmikrostruktur. Detta är den första demonstrationen av denna tillverkningsmetod, och den kommer att leda till utvecklingen av 3D-cellodlingssystem som kan stödja bentransplantat eller skapa konstgjord benmärg.
Deras forskning är publicerad i tidskriften ACS Biomaterials Science &Engineering , och finns på omslaget till numret som publicerades den 12 februari 2024.
Ben är ett hybridmaterial som består av organiska och oorganiska ämnen, främst kollagenfibrer och ett oorganiskt mineral som kallas hydroxiapatit (HAp). De mineraliserade kollagenfibrerna samlas för att bilda en hierarkisk struktur som ger utmärkt mekanisk styrka och seghet i kortikalt ben. Kortikalt ben är det starka yttre lagret av de långa benen.
Mikrostrukturerna i benmärgen, som kallas benmärgsnisch, fungerar som regulatorer av de hematopoetiska stamcellerna. Dessa är primitiva celler som utvecklas till alla typer av blodkroppar. Den mekanism genom vilken benmärgsnisch upprätthåller de hematopoetiska stamcellerna är dock fortfarande oklar.
Transplantation av hematopoetiska stamceller erbjuder en möjlig strategi för behandling av leukemi, lymfom och immunsjukdomar. Men det är svårt för de hematopoetiska stamcellerna att expandera utanför kroppen. Så att skapa en transplantationsmodell som efterliknar benmärgsmiljön kan vara en lösning på dessa utmaningar, vilket gör att de hematopoetiska stamcellerna kan föröka sig in vitro och sedan transplanteras. Dessutom kan en modell som efterliknar benmärgsmiljön hjälpa till att klargöra mekanismen för att bibehålla hematopoetiska stamceller i benmärgen in vivo.
I tidigare forskning hade forskare utvecklat biomaterial baserade på HAp som efterliknar benmikrostruktur. De använde mikrotillverkningstekniker för att skapa 3D-modeller med HAp, med ett mål att konstruera benmikrostruktur som efterliknar en biologisk miljö. HAp-belagda material har använts som bensubstitut in vivo för att binda defekt ben med hjälp av implantation. Den tidigare forskningen har visat att HAp-belagda material kan tillhandahålla en miljö som stöder cellfunktion och uppvisar en hög affinitet för ben.
Ändå fanns det begränsningar med denna tidigare forskning. "Det har varit svårt att tillverka organiska och oorganiska 3D-kompositmaterial med exakt struktur genom 3D-laserutskrift", säger Kazutoshi Iijima, docent vid tekniska fakulteten vid Yokohama National University.
Laserskanning stereolitografi, en 3D-utskriftsteknik, kan producera högupplösta modeller av ben. Teamet valde en tillverkningsmetod som kombinerar laserskanningsstereolitografi med en alternativ blötläggningsprocess. Med denna tillverkningsmetod konstruerade teamet hydrogelmodeller i mikrostorlek av polymeriserat gelatinmetakrylat, en biokompatibel tvärbindningsbar polymer som används vid biotryckning. De modifierade modellerna med HAp genom att använda den alternativa blötläggningsprocessen med en lösning av kalcium- och fosfatjoner. Denna studie är den första demonstrationen av HAp-modifiering till 3D-utskrivna modeller med en mer komplex struktur, med hjälp av den alternativa blötläggningsprocessen.
De designade och tillverkade enkla, linjeformade modeller och en pyramidformad modell med en komplex struktur. Dessa gjorde det möjligt för dem att modifiera de tillverkade modellerna av olika storlekar med HAp, med den alternativa blötläggningsmetoden, utan att ändra mikrostrukturen som skapats av stereolitografi.
De testade sina modeller under olika förhållanden genom att ändra nedsänkningstiden och antalet alternativa blötläggningscykler. Teamet kunde kontrollera tjockleken på HAp-lagret genom att ändra villkoren för den alternativa blötläggningsprocessen. De analyserade kompositlinjemodellerna och undersökte mekanismen för HAp-bildning genom alternerande blötläggningsprocess i hydrogelerna.
"Genom att kombinera laser 3D-utskriftsteknik och den alternativa blötläggningsprocessen har det blivit möjligt att konstruera exakta 3D gelatinmetakrylat och hydroxiapatitkompositmaterial med exakt struktur", säger Hiroki Miyajima, en specialutnämnd biträdande professor vid tekniska fakulteten vid Yokohama National University .
När vi ser framåt hoppas teamet kunna utveckla ben- och benmärgsmodeller som efterliknar mikrostrukturen hos ben som bidrar till regenerativ medicin, såsom benvävnadsregenerering och expanderande hematopoetiska stamceller.
I forskargruppen ingår Kaori Kojima, Hiroki Touji, Kodai Onodera, Masaru Mukai, Shoji Maruo och Kazutoshi Iijima från Yokohama National University, Japan.
Mer information: Hiroki Miyajima et al, mikrotillverkning av gelatinmetakrylat/hydroxiapatitkompositer genom att använda alternativa blötläggningsprocesser, ACS Biomaterials Science &Engineering (2023). DOI:10.1021/acsbiomaterials.3c01046
Tillhandahålls av Yokohama National University
