Dr. Akhilesh K. Gaharwar, biträdande professor vid institutionen för biomedicinsk teknik, introducerade kolloidala lösningar av 2D-nanosilikater som en plattformsteknik för att skriva ut komplexa strukturer via 3D-bioprinting. Kredit:Texas A&M Engineering
Extruderingsbaserad 3D-utskrift av biofasta ämnen, eller "bioprinting", är ett lovande tillvägagångssätt för att generera patientspecifika, vävnadskonstruerade transplantat. En stor utmaning inom bioprinting är dock att de flesta för närvarande använda material saknar mångsidigheten för att användas i ett brett spektrum av tillämpningar.
Ny nanoteknik har utvecklats av ett team av forskare från Texas A&M University som utnyttjar kolloidala interaktioner av nanopartiklar för att skriva ut komplexa geometrier som kan efterlikna vävnad och organstruktur. Teamet, ledd av Dr. Akhilesh Gaharwar, docent och Presidential Impact Fellow vid Institutionen för biomedicinsk teknik, har introducerat kolloidala lösningar av 2D-nanosilikater som en plattformsteknik för att skriva ut komplexa strukturer.
2D nanosilikater är skivformade oorganiska nanopartiklar 20 till 50 nanometer i diameter och 1 till 2 nanometer i tjocklek. Dessa nanosilikater bildar en "korthus"-struktur över en viss koncentration i vatten, känd som en kolloidal lösning.
Dessa kolloidala lösningar har tilltalande egenskaper när man studerar ett materials deformation, såsom ökad viskositet och sträckgräns samt skjuvförtunning, där viskositeten minskar under belastning, och tixotropt beteende, där ett material deformeras som svar på applicerade krafter. Gaharwar Laboratory utnyttjar de reologiska egenskaperna hos dessa nanosilikater för extruderingsbaserad 3D-utskrift.
Resultaten av teamets forskning publicerades i tidskriften Bioprinting .
Några stora utmaningar inom extruderingsbaserad 3D-utskrift är oförmågan att skriva ut höga och komplexa strukturer, eftersom mjuka material flyter under tyngdkraften och inte kan bilda självbärande strukturer. För att övervinna dessa utmaningar använde forskare kolloidala nanosilikater och visade dem som en plattformsteknik för bioprinting med hjälp av tre olika tillvägagångssätt.
I det första tillvägagångssättet designade Satyam Rajput, en biomedicinsk ingenjörsstudent vid Gaharwar-laboratoriet och huvudförfattaren till uppsatsen, ett skjuvförtunnande bläck som består av nanosilikater och vattenlösliga polymerer som agaros, alginat, kappa-karragenan, gelatin gelatinmetakryloyl, polyetylenglykol och N-isopropylakrylamid. Den tryckbara bläckformuleringen visade god formtrohet.
I det andra tillvägagångssättet demonstrerade teamet användningen av nanosilikater som ett offerbläck, ett instrument utformat för att misslyckas och tas bort, för att designa mikrofluidiska enheter för in vitro-sjukdomsmodellering. Dessa perfuserbara enheter kan användas för olika tillämpningar för att emulera och studera vaskulär fysiologi och vätskemekanik, sjukdomsmodeller, vävnadsorganisation och funktion, terapeutisk vävnadsteknik och 3D-cellodlingsmodeller och screeningläkemedel.
I det tredje tillvägagångssättet använde forskarna en kolloidal nanosilikatgel som ett stödbad för 3D-utskrift genom att upphäva ytspänningen och gravitationskrafterna. En rad komplexa strukturer såsom ett bifurcerat kärl, lårben, menisk, DNA-dubbelhelix, hjärta och trebladsklaff trycktes inuti stödbadet.
"Mångsidigheten hos nanosilikater skulle kunna användas allmänt inom områdena additiv tillverkning, vävnadsteknik, läkemedelsleverans och medicinsk utrustning," sa Gaharwar. + Utforska vidare
