Dreidimensionaler (3D) Biodruck ist eine nützliche Technik, die in unserem Leben weit verbreitet ist, von der rekonstruktiven plastischen Chirurgie bis zur Herstellung künstlicher Organe. Viele Biopolymere, wie Nukleinsäuren, Polysaccharide und Proteine, können jedoch aufgrund ihrer inhärenten rheologischen und strukturellen Eigenschaften nicht ohne weiteres in eine gewünschte 3D-Form im Submikron- oder Nanobereich gebracht werden. Können wir die formfreie und hochauflösende Strukturierung verschiedener Biomoleküle wirklich mit der 3D-Drucktechnologie erreichen?
Ein Team von Forschern der Abteilung für Materialwissenschaften und -technik am POSTECH unter der Leitung von Professor Seung Soo Oh, Professor Emeritus Jung Ho Je, Dr. Moon-Jung Yong und Ph.D. Die Kandidaten Un Yang und Byunghwa Kang haben eine bahnbrechende 3D-Drucktechnologie entwickelt, die direkt ein präzises Schreiben und Bemustern verschiedener Biopolymere mit voller mechanischer Stabilität und funktioneller Integrität ermöglicht.
Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft.
Das Forschungsteam hat eine neuartige 3D-Druckstrategie vorgestellt, die die Faltstruktur und molekulare Funktion verschiedener Biopolymere bewahrt, indem eine biopolymerhaltige Lösung nacheinander eingeschlossen, verdampft und verfestigt wird.
Unabhängig von den Biopolymertypen kann diese Technik 3D-Biopolymerarchitekturen mit präzise kontrollierter Größe und Geometrie mit Submikrometerauflösung erzeugen.
Darüber hinaus ermöglicht es den gedruckten Biopolymeren, ihre eigenen gewünschten Funktionen zu zeigen, wodurch eine punktgenaue Lokalisierung von raumzeitlichen Biofunktionen erreicht wird, einschließlich molekularer Erkennung und katalytischer Reaktionen.
Diese 3D-Drucktechnik kann in verschiedenen Bereichen angewendet werden, indem das Prinzip genutzt wird, dass auf molekularer Ebene die Verdampfung und Verfestigung einer reinen biopolymerhaltigen Lösung unabhängig vom Biopolymertyp erfolgt. Von großem Vorteil ist auch, dass dieses Druckverfahren aufgrund einer milden Verarbeitungsumgebung bei Raumtemperatur und Umgebungsluft ohne Zusatzstoffe keine Beschädigungen oder Verformungen der Biopolymere verursacht.
Es wird erwartet, dass dieser Durchbruch weitreichende Anwendungen in der Entwicklung von Materialien haben wird, die biologisches Gewebe im Mikromaßstab analysieren und nachahmen können. Es kann auch zur Herstellung künstlicher Zellen und Gewebe, die in einer biologischen Umgebung richtig funktionieren können, sowie zur Herstellung von Biochips verwendet werden. Die Forscher planen nun, Druckverfahren für zellnachahmende Geräte der nächsten Generation für die praktische Diagnostik und Arzneimittelentwicklung zu entwickeln.
„Die Bedeutung dieser Forschung liegt darin, erstmals die Möglichkeit zu beweisen, 100 % funktional und strukturell aktive Biopolymere in ultrafeinen 3D-Strukturen zu drucken“, betonte Professor Seung Soo Oh, der POSTECH-Teamleiter. Professor Emeritus Jung Ho Je kommentierte: „Es birgt das Potenzial, auf den Druck verschiedener Materialien mit unterschiedlichen optischen und elektrischen Eigenschaften, einschließlich komplexer Materialien wie Quantenpunkte und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, auszuweiten.“
Mehr Informationen:
Un Yang et al, Type‐Independent 3D Writing and Nano‐Patterning of Confined Biopolymers, Fortgeschrittene Wissenschaft (2023). DOI: 10.1002/adv.202207403