En ny automatiserad process skriver ut en peptidbaserad hydrogelställning som innehåller jämnt fördelade celler. Ställningarna håller sina former väl och underlättar framgångsrikt celltillväxt som varar i veckor.

"Bioprinting" - 3D-utskrift som innehåller levande celler - har potential att revolutionera vävnadsteknik och regenerativ medicin. Forskare har experimenterat med naturliga och syntetiska "biobläck" för att skriva ut byggnadsställningar som håller celler på plats när de växer och bildar en vävnad med en specifik form. Men det finns utmaningar med cellöverlevnad. Naturligt biobläck, som gelatin och kollagen, måste behandlas med kemikalier eller ultraviolett ljus för att behålla sin form, vilket påverkar cellviabiliteten. De syntetiska polymerhydrogelerna som testats hittills kräver också användning av hårda kemikalier och tillstånd som hotar cellöverlevnad.

KAUSTs bioingenjör Charlotte Hauser ledde ett team av forskare för att utveckla en bioprintprocess som använder ultrakorta peptider som bas för ställningsbläcket. De designade tre peptider med olika kombinationer av aminosyrorna isoleucin, lysin, fenylalanin och cyklohexylalanin.

För själva tryckningen, teamet använde ett nytt munstycke med trippelinlopp. Peptidbiobläcket går in i ett inlopp, en buffertlösning går in i en annan, och celler läggs till genom en tredje. Detta gör att peptidbläcket gradvis kan blandas med buffertlösningen och sedan kombineras med cellerna vid munstyckets utlopp. När bläcket matas ut, det stelnar omedelbart, fångar cellerna i sin struktur.

"Det är utmanande att hitta ett cellvänligt biomaterial som stöder cellöverlevnad på lång sikt och som även kan skrivas ut, " säger doktorand Hepi Hari Susapto. "Våra biobläck gjorda av självmonterande ultrakorta peptidhydrogeler tar sig an denna utmaning effektivt."

Teamet kunde skriva ut cylindrar upp till fyra centimeter höga, som i bilden ovan, och en människoliknande näsa, som alla höll sina former väl.

Mänskliga fibroblaster, mänskliga benmärgsmesenkymala stamceller och mushjärnneuroner överlevde och förökade sig väl inom hydrogelmatrisen. Forskarna inducerade vidare benmärgs mesenkymala stamceller att differentiera inuti en tryckt ställning till elastisk broskliknande vävnad inom en period av fyra veckor.

Teamet arbetar nu med att förändra ytkemin hos sina biobläck så att de mer liknar cellmiljön i människokroppen.

"Vårt nästa steg är att bioprinta 3D-sjukdomsmodeller och miniatyrorgan för screening och diagnos av läkemedel med hög genomströmning, " säger Hauser. "Dessa kan hjälpa till att minska tiden och kostnaderna för att söka efter mer effektiva och personliga läkemedel."