Medicinens framtid är biologisk-och forskare hoppas att vi snart kommer att använda 3D-tryckt biologiskt funktionell vävnad för att ersätta irreparabelt skadad vävnad i kroppen. Ett team av forskare från Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB har arbetat med universitetet i Stuttgart under ett antal år på ett projekt för att utveckla och optimera lämpliga biolänkar för additiv tillverkning. Genom att variera biomaterialets sammansättning, forskarna har redan lyckats utöka sin portfölj till att inkludera ben- och vaskulariseringsfärger. Det har lagt grunden för tillverkning av benliknande vävnadsstrukturer med kapillära nätverk.

3D-utskrift vinner inte bara mark i tillverkningen-det får också en allt större betydelse inom regenerativ medicin. Forskare hoppas nu kunna använda denna additiva tillverkningsmetod för att skapa skräddarsydda biokompatibla vävnadsställningar som kommer att ersätta irreparabelt skadad vävnad. Ett team av forskare vid Fraunhofer IGB i Stuttgart arbetar också med biobaserade bläck för tillverkning av biologiska implantat i laboratoriet med hjälp av 3D-trycktekniker. För att skapa ett 3D-objekt i önskad förprogrammerad form, teamet använder sig av ett lager-för-lager-tillvägagångssätt för att skriva ut en vätskeblandning som innehåller biopolymerer såsom gelatin eller hyaluronsyra, vattenhaltiga medium och levande celler. Dessa biofärger förblir i ett visköst tillstånd under tryckning och exponeras sedan för UV-ljus för att tvärbinda dem till vatteninnehållande polymernätverk som kallas hydrogeler.

Riktad kemisk modifiering av biomolekyler

Forskare kan kemiskt modifiera biomolekylerna för att ge de resulterande gelerna olika grader av tvärbindning och svällbarhet. Detta gör det möjligt att imitera konsistensen av naturlig vävnad - från starkare hydrogeler för brosk till mjukare geler för fettvävnad. Breda justeringar kan också göras för viskositetsnivån:"Vid rumstemperatur på 21 grader Celsius, gelatin är lika fast som gelé, vilket inte är bra för utskrift. För att förhindra temperaturberoende gelning och för att vi ska kunna bearbeta den oavsett temperatur, vi 'maskerar' sidokedjorna i biomolekylerna som är ansvariga för gelning av gelatin, "säger Dr Achim Weber, chef för Particle-Based Systems and Formulations Group, att förklara en av de viktigaste utmaningarna i processen.

En ytterligare utmaning är att gelatinet måste tvärbindas kemiskt för att förhindra att det flytande vid temperaturer på cirka 37 grader. För att uppnå detta, det är funktionaliserat två gånger:i det här fallet, forskargruppen har valt integrering av tvärbindbara metakrylgrupper i biomolekylerna och därmed ersatt olika delar av icke-tvärbindningen, maskering av acetylgrupper - ett unikt tillvägagångssätt inom bioprinting. "Vi formulerar bläck som erbjuder anpassade förhållanden för olika celltyper och vävnadsstrukturer, "säger doktor Kirsten Borchers, som är ansvarig för biotrycksprojekt i Stuttgart.

I samarbete med universitetet i Stuttgart, laget lyckades nyligen skapa två olika hydrogelmiljöer:styvare geler med mineralkomponenter för att tillgodose benceller, och mjukare geler utan mineralkomponenter för att möjliggöra för blodkärlsceller att bilda sig till kapillärliknande strukturer.

Ben- och vaskulariseringsfärger

Forskarna har redan lyckats producera benfärg på grundval av materialpaketet de skapat. Deras mål är att göra det möjligt för cellerna som bearbetas i satsen att regenerera den ursprungliga vävnaden, med andra ord att själva bilda benvävnad. Hemligheten med att skapa bläcket ligger i en speciell blandning av benmineralt pulver hydroxylapatit och biomolekyler. "Den bästa konstgjorda miljön för cellerna är en som kommer närmast de naturliga förhållandena i kroppen. Det är därför vävnadsmatrisens roll i våra tryckta vävnader spelas av biomaterial som vi genererar från element i den naturliga vävnadsmatrisen, säger forskaren.

Vaskulariseringsfärgen bildar mjuka geler som stöder upprättandet av kapillärstrukturer. Celler som bildar blodkärl inkorporeras i bläcket. Cellerna rör sig, migrerar mot varandra och bildar system av kapillära nätverk som består av små rörformiga strukturer. Om detta benersättningsmedel skulle implanteras, det biologiska implantatet skulle ansluta sig till mottagarens blodkärlssystem mycket snabbare än ett implantat utan kapillärliknande förstrukturer, som beskrivs i relevant litteratur. "Det skulle förmodligen vara omöjligt att 3D-skriva ut större vävnadsstrukturer framgångsrikt utan vaskulariseringsfärg, säger Weber.

Stuttgart -teamets senaste forskningsprojekt innefattar utveckling av matriser för att regenerera brosk. "Oavsett celltyp vi isolerar från kroppsvävnad och multiplicerar i laboratoriet, vi måste skapa en lämplig miljö där de kan utföra sina specifika funktioner under längre perioder, "förklarar teamets bioingenjör, Lisa Rebers.

Fraunhofer IGB fortsätter sitt forskningsarbete i Mass Personal High-Performance Center i Stuttgart som en del av ett gemensamt initiativ med Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA och University of Stuttgart. Den tvärvetenskapliga arbetsgruppen Additive4Life ansvarar för att skapa ny teknik och utskrivbara biomaterial för biotryck.