Ett nytt sätt att göra ställningar för biologiska kulturer kan göra det möjligt att odla celler som är mycket enhetliga i form och storlek, och eventuellt med vissa funktioner. Den nya metoden använder en extremt finskalig form av 3-D-utskrift, med hjälp av ett elektriskt fält för att dra fibrer en tiondel av människohårets bredd.

Systemet utvecklades av Filippos Tourlomousis, en postdoc vid MIT:s centrum för bitar och atomer, och sex andra vid MIT och Stevens Institute of Technology i New Jersey. Arbetet rapporteras idag i tidningen Mikrosystem och nanoteknik .

Många funktioner i en cell kan påverkas av dess mikromiljö, så en byggnadsställning som möjliggör exakt kontroll över den miljön kan öppna nya möjligheter för odling av celler med särskilda egenskaper, för forskning eller så småningom till medicinskt bruk.

Medan vanlig 3D-utskrift ger filament så fina som 150 mikron (miljondelar av en meter), Tourlomousis säger, det är möjligt att få ner fibrer till 10 mikronbredder genom att lägga till ett starkt elektriskt fält mellan munstycket som extruderar fibern och scenen på vilken strukturen skrivs ut. Tekniken kallas smältelektrisk skrivning.

"Om du tar celler och lägger dem på en konventionell 3D-tryckt yta, det är som en 2-D yta för dem, " han förklarar, eftersom cellerna själva är så mycket mindre. Men i en maskliknande struktur tryckt med hjälp av elektroskrivningsmetoden, strukturen är i samma storleksskala som cellerna själva, och så kan deras storlekar och former och hur de bildar vidhäftningar till materialet kontrolleras genom att justera den porösa mikroarkitekturen hos den tryckta gitterstrukturen.

"Genom att kunna skriva ut till den skalan, du producerar en riktig 3D-miljö för cellerna, "Säger Tourlomousis.

Han och teamet använde sedan konfokalmikroskopi för att observera cellerna som odlats i olika konfigurationer av fina fibrer, några slumpmässiga, några exakt arrangerade i maskor av olika dimensioner. Det stora antalet resulterande bilder analyserades och klassificerades sedan med hjälp av artificiell intelligensmetoder, för att korrelera celltyperna och deras variabilitet med de olika mikromiljöerna, med olika mellanrum och arrangemang av fibrer, där de odlades.

Celler bildar proteiner som kallas fokala vidhäftningar på de platser där de fäster sig vid strukturen. "Fokala vidhäftningar är hur cellen kommunicerar med den yttre miljön, "Tourlomousis säger." Dessa proteiner har mätbara egenskaper över hela cellkroppen som gör att vi kan göra metrologi. Vi kvantifierar dessa funktioner och använder dem för att modellera och klassificera ganska exakt enskilda cellformer. "

För en given maskliknande struktur, han säger, "vi visar att cellerna får former som är direkt kopplade till substratets arkitektur och med de smältelektronskrivna substraten, "främja en hög grad av enhetlighet jämfört med fiberduk, slumpmässigt strukturerade substrat. Sådana enhetliga cellpopulationer kan potentiellt vara användbara i biomedicinsk forskning, han säger:"Det är allmänt känt att cellform styr cellfunktionen och detta arbete föreslår en formdriven väg för konstruktion och kvantifiering av cellsvar med stor precision, "och med stor reproducerbarhet.

Han säger att i det senaste arbetet, han och hans team har visat att vissa typer av stamceller som odlas i sådana 3D-tryckta maskor överlevde utan att förlora sina egenskaper mycket längre än de som odlas på ett konventionellt tvådimensionellt substrat. Således, det kan finnas medicinska tillämpningar för sådana strukturer, kanske som ett sätt att odla stora mängder mänskliga celler med enhetliga egenskaper som kan användas för transplantation eller för att tillhandahålla material för att bygga konstgjorda organ, han säger. Materialet som används för tryckningen är en polymersmälta som redan har godkänts av FDA.

Behovet av stramare kontroll över cellfunktionen är en viktig vägspärr för att få vävnadstekniska produkter till kliniken. Eventuella steg för att skärpa specifikationerna på ställningen, och därigenom också strama variansen i cellfenotyp, behövs mycket av den här branschen, Säger Tourlomousis.

Utskriftssystemet kan också ha andra applikationer, Säger Tourlomousis. Till exempel, det kan vara möjligt att skriva ut "metamaterial" - syntetiska material med skiktade eller mönstrade strukturer som kan producera exotiska optiska eller elektroniska egenskaper.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.