Wissenschaftler haben die Laser-3D-Drucktechnologie und einen alternativen Einweichprozess kombiniert, um komplexe 3D-Strukturen zu konstruieren, die die Knochenmikrostruktur nachahmen. Dies ist die erste Demonstration dieser Herstellungsmethode und wird zur Entwicklung von 3D-Zellkultursystemen führen, die Knochentransplantate unterstützen oder künstliches Knochenmark erzeugen können.
Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch ACS Biomaterialwissenschaft und -technikund ist auf dem Cover der am 12. Februar 2024 erschienenen Ausgabe abgebildet.
Knochen ist ein Hybridmaterial aus organischen und anorganischen Substanzen, hauptsächlich Kollagenfasern und einem anorganischen Mineral namens Hydroxylapatit (HAp). Die mineralisierten Kollagenfasern fügen sich zu einer hierarchischen Struktur zusammen, die dem kortikalen Knochen eine hervorragende mechanische Festigkeit und Zähigkeit verleiht. Kortikalis ist die starke Außenschicht der Röhrenknochen.
Die Mikrostrukturen im Knochenmark, sogenannte Knochenmarknische, fungieren als Regulatoren der hämatopoetischen Stammzellen. Dabei handelt es sich um primitive Zellen, die sich zu allen Arten von Blutzellen entwickeln. Der Mechanismus, durch den die Knochenmarksnische die hämatopoetischen Stammzellen erhält, bleibt jedoch unklar.
Die Transplantation hämatopoetischer Stammzellen bietet eine mögliche Strategie zur Behandlung von Leukämie, Lymphomen und Immunerkrankungen. Für die hämatopoetischen Stammzellen ist es jedoch schwierig, sich außerhalb des Körpers auszudehnen. Daher könnte die Schaffung eines Transplantationsmodells, das die Knochenmarkumgebung nachahmt, eine Lösung für diese Herausforderungen sein und es den hämatopoetischen Stammzellen ermöglichen, sich in vitro zu vermehren und dann transplantiert zu werden. Darüber hinaus könnte ein Modell, das die Knochenmarkumgebung nachahmt, dazu beitragen, den Mechanismus der Aufrechterhaltung hämatopoetischer Stammzellen im Knochenmark in vivo aufzuklären.
In früheren Forschungen hatten Wissenschaftler auf HAp basierende Biomaterialien entwickelt, die die Knochenmikrostruktur nachahmen. Sie nutzten Mikrofabrikationstechniken, um mit HAp 3D-Modelle zu erstellen, mit dem Ziel, eine Knochenmikrostruktur zu konstruieren, die eine biologische Umgebung nachahmt. HAp-beschichtete Materialien wurden in vivo als Knochenersatz verwendet, um defekten Knochen durch Implantation zu verbinden. Die frühere Forschung hat gezeigt, dass HAp-beschichtete Materialien eine Umgebung bieten können, die die Zellfunktion unterstützt und eine hohe Affinität zu Knochen aufweist.
Dennoch gab es bei dieser früheren Forschung Einschränkungen. „Es war schwierig, organische und anorganische 3D-Verbundmaterialien mit präziser Struktur durch Laser-3D-Druck herzustellen“, sagte Kazutoshi Iijima, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Yokohama National University.
Mit der Laserscanning-Stereolithographie, einer 3D-Drucktechnologie, können hochauflösende Knochenmodelle erstellt werden. Das Team wählte eine Herstellungsmethode, die Laserscanning-Stereolithographie mit einem alternativen Einweichprozess kombiniert. Mit dieser Herstellungsmethode konstruierte das Team mikrogroße Hydrogelmodelle aus polymerisiertem Gelatinemethacrylat, einem biokompatiblen, vernetzbaren Polymer, das beim Bioprinting verwendet wird. Sie modifizierten die Modelle mit HAp, indem sie den alternativen Einweichprozess mit einer Lösung aus Kalzium- und Phosphationen verwendeten. Diese Studie ist die erste Demonstration der HAp-Modifikation an 3D-gedruckten Modellen mit einer komplexeren Struktur unter Verwendung des alternativen Einweichverfahrens.
Sie entwarfen und fertigten einfache, linienförmige Modelle und ein Pyramidenmodell mit komplexer Struktur. Dies ermöglichte es ihnen, die hergestellten Modelle unterschiedlicher Größe mit HAp mithilfe der alternativen Einweichprozessmethode zu modifizieren, ohne die durch Stereolithographie erzeugte Mikrostruktur zu verändern.
Sie testeten ihre Modelle unter verschiedenen Bedingungen, indem sie die Eintauchzeit und die Anzahl der abwechselnden Einweichprozesszyklen änderten. Das Team konnte die Dicke der HAp-Schicht steuern, indem es die Bedingungen des alternativen Einweichprozesses änderte. Sie analysierten die Verbundlinienmodelle und untersuchten den Mechanismus der HAp-Bildung durch abwechselnde Einweichprozesse in den Hydrogelen.
„Durch die Kombination der Laser-3D-Drucktechnologie und des alternativen Einweichprozesses ist es möglich geworden, präzise 3D-Verbundmaterialien aus Gelatinemethacrylat und Hydroxylapatit mit präziser Struktur zu konstruieren“, sagte Hiroki Miyajima, ein speziell ernannter Assistenzprofessor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Yokohama National University .
Mit Blick auf die Zukunft hofft das Team, Knochen- und Knochenmarksmodelle zu entwickeln, die die Mikrostruktur von Knochen nachahmen und zur regenerativen Medizin beitragen, beispielsweise zur Regeneration von Knochengewebe und zur Expansion hämatopoetischer Stammzellen.
Zum Forschungsteam gehören Kaori Kojima, Hiroki Touji, Kodai Onodera, Masaru Mukai, Shoji Maruo und Kazutoshi Iijima von der Yokohama National University, Japan.
Mehr Informationen:
Hiroki Miyajima et al., Mikrofabrikation von Gelatinemethacrylat/Hydroxylapatit-Verbundwerkstoffen durch Verwendung eines alternativen Einweichprozesses, ACS Biomaterialwissenschaft und -technik (2023). DOI: 10.1021/acsbiomaterials.3c01046