Forskare från Penn State utvecklade ett nytt nanokonstruerat granulärt hydrogelbiobläck, som används här för att skriva ut en bild av Nittany Lion-logotypen. Detta biobläck hjälper till att uppnå tidigare ouppnådda nivåer av porositet, formtrohet och cellintegrering vid 3D-utskrift av biomaterial. Kredit:Tillhandahålls av Amir Sheikhi
Varje dag i USA dör 17 personer i väntan på en organtransplantation, och var nionde minut läggs ytterligare en person till på väntelistan för transplantationer, enligt Health Resources and Services Administration. En potentiell lösning för att lindra bristen är att utveckla biomaterial som kan skrivas ut tredimensionellt (3D) som komplexa organformer, som kan hysa celler och bilda vävnader. Försöken hittills har dock misslyckats, med de så kallade bulk-hydrogel-biobläcken som misslyckats med att integreras i kroppen ordentligt och stödja celler i tjocka vävnadskonstruktioner.
Nu har forskare från Penn State utvecklat ett nytt nanokonstruerat granulärt hydrogelbiobläck som använder sig av självmonterande nanopartiklar och hydrogelmikropartiklar, eller mikrogeler, för att uppnå tidigare ouppnådda nivåer av porositet, formtrohet och cellintegrering.
Teamet publicerade sitt tillvägagångssätt i tidskriften Small . Deras arbete kommer att visas på tidskriftens omslag.
"Vi har utvecklat ett nytt granulärt hydrogelbiobläck för 3D-extrudering av bioprintning av mikroporösa byggnadsställningar för vävnadsteknik", säger motsvarande författare Amir Sheikhi, biträdande professor i kemiteknik i Penn State som har en tjänst inom biomedicinsk teknik. "Vi har övervunnit de tidigare begränsningarna för 3D-bioprintning av granulära hydrogeler genom att reversibelt binda mikrogelerna med hjälp av nanopartiklar som sätts ihop själv. Detta möjliggör tillverkning av granulärt hydrogelbiobläck med välbevarad mikroporositet, förbättrad tryckbarhet och formtrohet."
Hittills har majoriteten av biobläcken varit baserade på bulkhydrogeler - polymernätverk som kan hålla en stor mängd vatten samtidigt som de behåller sin struktur - med porer i nanoskala som begränsar cell-cell- och cell-matris-interaktioner samt överföring av syre och näringsämnen. De kräver också nedbrytning och/eller ommodellering för att möjliggöra cellinfiltration och -migrering, fördröja eller hämma biobläck-vävnadsintegration.
"Den huvudsakliga begränsningen för 3D-bioprinting med konventionella bulkhydrogelbiobläck är avvägningen mellan formtrohet och cellviabilitet, som regleras av hydrogelstyvhet och porositet," sa Sheikhi. "Att öka hydrogelens styvhet förbättrar konstruktionens formtrohet, men det minskar också porositeten, vilket äventyrar cellviabiliteten."
För att övervinna detta problem började forskare inom området använda mikrogeler för att montera vävnadstekniska ställningar. I motsats till bulkhydrogelerna kunde dessa granulära hydrogelställningar bilda 3D-konstruktioner på plats, reglera porositeten hos de skapade strukturerna och frikoppla hydrogelernas styvhet från porositeten.
Cellviabilitet och migration förblev dock ett problem, sa Sheikhi. För att uppnå de positiva egenskaperna under 3D-utskriftsprocessen måste granulära hydrogeler packas tätt ihop, vilket äventyrar utrymmet mellan mikrogeler och påverkar porositeten negativt, vilket i sin tur negativt påverkar cellviabilitet och rörlighet.
Penn State-forskarnas tillvägagångssätt tar upp problemet med "jamming" samtidigt som de positiva egenskaperna hos de granulära hydrogelerna bibehålls genom att öka mikrogelernas klibbighet mot varandra. Mikrogelerna klamrar sig fast vid varandra, vilket tar bort behovet av tät packning som ett resultat av gränssnittets självmontering av nanopartiklar adsorberade till mikrogeler och bevarar mikroskaliga porer.
"Vårt arbete är baserat på antagandet att nanopartiklar kan adsorbera på polymera mikrogelytor och reversibelt fästa mikrogelerna till varandra, samtidigt som de inte fyller porerna bland mikrogelerna," sa Sheikhi. "Den reversibla vidhäftningsmekanismen är baserad på heterogent laddade nanopartiklar som kan ge dynamisk bindning till löst packade mikrogeler. Sådana dynamiska bindningar kan bildas eller bryta vid frigöring eller utövande av skjuvkraft, vilket möjliggör 3D-biotryckbarhet av mikrogelsuspensioner utan att packa dem tätt."
Forskarna säger att denna teknologi kan utökas till andra granulära plattformar som består av syntetiska, naturliga eller hybrida polymera mikrogeler, som kan sättas samman med varandra med liknande nanopartiklar eller andra fysikaliska och/eller kemiska metoder, såsom laddningsinducerad reversibel bindning värd-gäst-interaktioner eller dynamiska kovalenta bindningar.
Enligt Sheikhi planerar forskarna att utforska hur det nanokonstruerade granulära biobläcket kan användas ytterligare för vävnadsteknik och regenerering, organ/vävnad/sjukdomsmodeller-på-ett-chip och in situ 3D-bioprinting av organ.
"Genom att ta itu med en av de ihållande utmaningarna i 3D-bioprintning av granulära hydrogeler, kan vårt arbete öppna nya vägar inom vävnadsteknik och utskrift av funktionella organ," sa Sheikhi. + Utforska vidare
