Wie baut man komplexe Strukturen für die Unterbringung von Zellen aus einem so weichen Material wie Wackelpudding? Wissenschaftler der Rice University haben die Antwort, und sie stellt einen potenziellen Sprung nach vorne für die regenerative Medizin und die medizinische Forschung im Allgemeinen dar.
Forscher im Labor von Jeffrey Hartgerink von Rice haben herausgefunden, wie man die wohldefinierten Strukturen mithilfe einer selbstorganisierenden Peptidtinte in 3D druckt. „Letztendlich besteht das Ziel darin, Strukturen mit Zellen zu drucken und reifes Gewebe in einer Petrischale zu züchten. Diese Gewebe können dann zur Behandlung von Verletzungen transplantiert oder verwendet werden, um mehr über die Funktionsweise einer Krankheit zu erfahren und Arzneimittelkandidaten zu testen“, sagte Adam Farsheed, ein Rice-Bioingenieur-Doktorand und Hauptautor der Studie, die in erschien Fortgeschrittene Werkstoffe.
„Es gibt 20 natürlich vorkommende Aminosäuren, aus denen Proteine im menschlichen Körper bestehen“, sagte Farsheed. „Aminosäuren können wie Legosteine zu größeren Ketten verbunden werden. Wenn Aminosäureketten länger als 50 Aminosäuren sind, nennt man sie Proteine, aber wenn diese Ketten kürzer als 50 Aminosäuren sind, nennt man sie Peptide.“ Wir haben Peptide als Basismaterial in unseren 3D-Druckfarben verwendet.“
Diese von Hartgerink und Mitarbeitern entwickelten „Multidomänen-Peptide“ sind auf der einen Seite hydrophob und auf der anderen hydrophil. Wenn es in Wasser gegeben wird, „faltet sich eines der Moleküle auf ein anderes und erzeugt ein sogenanntes hydrophobes Sandwich“, sagte Farsheed.
Diese Sandwiches stapeln sich aufeinander und bilden lange Fasern, die dann ein Hydrogel bilden, ein Material auf Wasserbasis mit einer gallertartigen Textur, das für eine Vielzahl von Anwendungen wie Gewebezüchtung, Softrobotik und Abwasserbehandlung nützlich sein kann.
Multidomänen-Peptide wurden zur Nervenregeneration, Krebsbehandlung und Wundheilung verwendet und fördern nachweislich ein hohes Maß an Zellinfiltration und Gewebeentwicklung, wenn sie in lebende Organismen implantiert werden.
„Wir wissen, dass die Multidomänen-Peptide sicher in den Körper implantiert werden können“, sagte Farsheed. „Aber was ich in diesem Projekt machen wollte, war, in eine andere Richtung zu gehen und zu zeigen, dass diese Peptide eine großartige Tinte für den 3D-Druck sind.
„Es mag widersprüchlich sein, da unser Material so weich ist, aber ich erkannte, dass unsere Multidomänen-Peptide aufgrund ihrer Selbstorganisation ein idealer Tintenkandidat sind“, fuhr er fort. „Unser Material kann sich nach einer Verformung wieder zusammensetzen, ähnlich wie Zahnpasta eine schöne Faser bildet, wenn sie aus einer Tube gedrückt wird.“
Farsheeds Hintergrund im Maschinenbau ermöglichte es ihm, beim Testen seiner Hypothese einen unkonventionellen Ansatz zu wählen.
„Ich hatte eher einen Brute-Force-Engineering-Ansatz, bei dem ich, anstatt das Material chemisch zu modifizieren, um es für den 3D-Druck zugänglicher zu machen, getestet habe, was passieren würde, wenn ich einfach mehr Material hinzufügen würde“, sagte er. „Ich habe die Konzentration etwa vervierfacht, und es hat sehr gut funktioniert.
„Es gab nur eine Handvoll Versuche, mit anderen selbstorganisierenden Peptiden in 3D zu drucken, und diese Arbeit ist großartig, aber dies ist das erste Mal, dass ein selbstorganisierendes Peptidsystem erfolgreich für den 3D-Druck eines solchen Komplexes verwendet wurde Strukturen“, fuhr Farsheed fort.
Die Strukturen wurden entweder mit positiv geladenen oder negativ geladenen Multidomänen-Peptiden bedruckt, und unreife Muskelzellen, die auf den Strukturen platziert wurden, verhielten sich je nach Ladung unterschiedlich. Auf dem negativ geladenen Substrat blieben die Zellen zusammengeknäuelt, während sich die Zellen auf dem positiv geladenen Material ausbreiteten und zu reifen begannen.
„Es zeigt, dass wir das Zellverhalten sowohl mithilfe struktureller als auch chemischer Komplexität steuern können“, sagte Farsheed.
Hartgerink ist Professor für Chemie und Bioingenieurwesen und außerordentlicher Lehrstuhl für Grundstudien. Farsheed ist ein Doktorand der Bioingenieurwissenschaften und Hauptautor der Studie. Weitere Co-Autoren der Studie sind der Student Adam Thomas und der Doktorand Brett Pogostin.
Mehr Informationen:
Adam C. Farsheed et al, 3D‐Druck von selbstorganisierenden nanofaserigen Multidomänen‐Peptidhydrogelen, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202210378