3D-Bioprinting ist eine fortschrittliche Gewebezüchtungstechnik, bei der komplexe Gewebe mithilfe bioaktiver Substanzen wie lebenden Zellen und Gerüsten aufgebaut werden. Es bietet personalisierte Lösungen zur Gewebereparatur und reduziert die Immunabstoßung durch die Verwendung patientenspezifischer Zellen. Zu den häufig verwendeten 3D-Bioprinting-Materialien gehören Polycaprolacton (PCL) und Polymilchsäure-co-Glykolsäure (PLGA) für Hartgewebe und Hydrogele für Weichgewebe.
Bioaktives Borglas (BBG) kann in Kombination mit PCL oder Natriumalginat (SA), einem Trägermedium für den 3D-Biodruck von Zellen und einer Vielzahl bioaktiver Substanzen, verwendet werden, um Materialien mit hoher mechanischer Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit zu bilden.
BBG ist bei der Knochenregeneration wirksam, da es die Bildung von Hydroxylapatit fördert und eine einstellbare Abbaurate aufweist, um verschiedenen Reparaturanforderungen gerecht zu werden. Daher bietet seine Anwendung in 3D-Biodruckmaterialien großes Potenzial.
Durch die Einführung von BBG in die SA-Matrix entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Wang Junfeng am Hefei Institute of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften neuartige 3D-Bioprinting-Verbundmaterialien zur Knochen- und Weichteilreparatur.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Internationale Zeitschrift für biologische Makromoleküle.
„Indem wir die Bioaktivität von BBG und die anpassbaren Eigenschaften dieser Materialien nutzen, bieten wir bessere Lösungen für die Gewebereparatur“, sagte Prof. Wang.
Das Forschungsteam entwickelte unter Verwendung der Technologie des selektiven Lasersinterns (SLS) BBG/PCL-Verbundstoffe mit unterschiedlichem BBG-Gehalt zur Reparatur von Knochendefekten.
Die Auswertung der Porengeometrie, Porosität, mechanischen Festigkeit, des Abbauverhaltens und der Zellkompatibilität der Materialien ergab, dass das 20 % BBG-Komposit die optimale Wahl war. Es wies eine Porosität von 68,5 %, eine Porengröße von 650 Mikrometern und eine Druckfestigkeit von 0,860 MPa auf und unterstützte damit die Knochenheilung und -regeneration äußerst effektiv.
Zur Reparatur von Weichgewebe griffen die Forscher auf BBG-SA-Biotinten zurück. Mithilfe einer extrusionsbasierten 3D-Drucktechnologie integrierten sie BBG-Partikel in Natriumalginat, um Biotinten mit hoher Präzision und verbesserten Gelierungseigenschaften zu erzeugen.
Bei herkömmlichen Hydrogelen treten häufig Probleme auf, wie beispielsweise eine geringe Druckgenauigkeit und eine erhebliche Schrumpfung während der Gelierung. Die BBG-SA-Biotinten boten hier eine effektive Lösung.
Das optimale 0,5 %ige BBG-SA-Hydrogel zeigte eine ausgezeichnete Bedruckbarkeit, eine verbesserte Struktur und eine erhöhte Biokompatibilität, förderte die Zelladhäsion und unterstützte die Expression von Genen und Proteinen, die mit der Reparatur von Weichgewebe in Zusammenhang stehen.
„Unsere Arbeit wird das Potenzial von bioaktivem Glas in 3D-Biodruckmaterialien deutlich steigern und eine entscheidende Forschungsgrundlage für die Entwicklung neuartiger biobasierter 3D-Druckmaterialien schaffen“, sagte Prof. Ma Kun, einer der korrespondierenden Autoren dieser Studie.
Weitere Informationen:
Zeyong Guo et al., Borat-Bioaktives Glas verbessert die 3D-Biodruckpräzision und Biokompatibilität auf einer Natriumalginat-Plattform durch Ca2+-kontrollierte Selbstverfestigung, Internationale Zeitschrift für biologische Makromoleküle (2024). DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2024.134338