Forscher entwickeln erste Voxel-Bausteine ​​für 3D-gedruckte Organe

Ein Forschungsteam der School of Engineering and Applied Science der University of Virginia hat eine Technologie entwickelt, die seiner Ansicht nach die Vorlage für die ersten Bausteine ​​für menschenverträgliche, auf Abruf gedruckte Organe sein könnte.

Liheng Cai, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie Chemieingenieurwesen, und sein Doktorand Jinchang Zhu haben Biomaterialien mit kontrollierten mechanischen Eigenschaften hergestellt, die denen verschiedener menschlicher Gewebe entsprechen.

„Das ist ein großer Sprung im Vergleich zu bestehenden Biodrucktechnologien“, sagte Zhu.

Sie veröffentlichten die Ergebnisse am 13. Juli in Naturkommunikation.

Ihre einzigartige Biodruckmethode heißt digitale Montage sphärischer Partikel. Die DASP-Technik lagert Biomaterialpartikel in einer Trägermatrix ab (beide sind wasserbasiert), um 3D-Strukturen zu bauen, die eine geeignete Umgebung für das Wachstum der Zellen bieten. Der Montageprozess ist die Art und Weise, wie „Voxel“, die 3D-Version von Pixeln, 3D-Objekte konstruieren.

„Unsere neuen Hydrogelpartikel stellen den ersten funktionalen Voxel dar, den wir je hergestellt haben“, sagte Zhu. „Dank seiner präzisen Kontrolle über die mechanischen Eigenschaften könnte dieser Voxel als einer der Grundbausteine ​​für unsere zukünftigen Druckkonstruktionen dienen.“

„Mit diesem Maß an Kontrolle könnten wir zum Beispiel Organoide drucken. Das sind zellbasierte dreidimensionale Modelle, die wie menschliches Gewebe funktionieren, um den Krankheitsverlauf bei der Suche nach Heilmitteln zu untersuchen.“

Robust und mobilfreundlich

Bei den Partikeln handelt es sich um Polymerhydrogele, die so konstruiert sind, dass sie menschliches Gewebe nachahmen. Dazu wurden die Anordnung und die chemischen Bindungen von Einzelmolekülmonomeren optimiert, die sich in Ketten zu Netzwerken verbinden.

In den Partikeln sind echte menschliche Zellen eingekapselt.

Im Vergleich zu anderen Hydrogel-Biotinten seien die von Cai und Zhu weniger giftig und für Zellen bioverträglicher, sagten sie. Ihre „Doppelnetzwerk“-Hydrogele – gebildet aus zwei ineinander verschlungenen molekularen Netzwerken – sind mechanisch stark, aber hochgradig anpassbar, um die physikalischen Eigenschaften menschlichen Gewebes nachzuahmen.

Cai und Zhu beschrieben ihre DASP-Technologie erstmals 2021 in Fortschrittliche Funktionsmaterialien. Diese Arbeit bewies das Konzept der Verwendung von Biomaterial-Voxeln als Bausteine ​​und demonstrierte durch Laborexperimente ein DASP-gedrucktes Material, das wie eine Bauchspeicheldrüse mit glukosestimulierter Insulinausschüttung funktionierte.

Aber DASP 1.0 konnte nur spröde Hydrogele mit begrenzter Abstimmbarkeit drucken. In ihrem neuesten Artikel in NaturkommunikationCai und Zhu präsentieren DASP 2.0, das die Doppelnetzwerk-Hydrogel-Biotinten einführt, die mithilfe einer „Klick-Chemie“ gebildet werden, um die Molekülstrukturen schnell zu vernetzen oder zu verbinden.

Der richtige Drucker für den Job

Dieser Fortschritt wurde unter anderem durch Verbesserungen am Biodrucker des Teams ermöglicht. Sie entwickelten eine Mehrkanaldüse, um die Hydrogelkomponenten bei Bedarf zu mischen. Ein Vormischen ist nicht möglich, da die Vernetzung so schnell erfolgt, dass innerhalb von 60 Sekunden aus flüssigen Tröpfchen ein elastisches, wassergequollenes Gel entsteht.

In vorherige Studienstellte das Team fest, dass die Tropfenbildung und das schnelle Ablösen von der Düse entscheidend sind, um die mechanischen Eigenschaften des menschlichen Zielgewebes – etwa Elastizität oder Steifheit – nachzuahmen.

DASP erreicht dies, indem große Tröpfchen aus einer schmalen und sich schnell bewegenden Düse in die Matrix abgegeben und dort sofort in der Schwebe gehalten werden.

„Die präzise Manipulation viskoelastischer Voxel stellt sowohl eine grundlegende als auch eine technologische Herausforderung in der Weichmateriewissenschaft und im 3D-Bioprinting dar“, sagte Cai im Jahr 2022, als sie ihre zweites Papier auf DASP.

„Wir haben jetzt den Grundstein für voxeliertes Bioprinting gelegt“, sagte er. „Wenn DASP vollständig realisiert ist, werden die Anwendungsgebiete künstliche Organtransplantationen, Krankheits- und Gewebemodellierung sowie das Screening von Kandidaten für neue Medikamente umfassen. Und dabei wird es wahrscheinlich nicht bleiben.“