Wissenschaftler bioprinten gewebeähnliche Konstrukte, die zu einer kontrollierten, komplexen Formänderung fähig sind

Während der Standard-3D-Druck einen digitalen Bauplan verwendet, um ein Objekt aus Materialien wie Kunststoff oder Harz herzustellen, stellt der 3D-Biodruck biologische Teile und Gewebe aus lebenden Zellen oder Bioinks her. Eine vierte Dimension – die Formveränderung im Laufe der Zeit – kann durch die Einbeziehung von Materialien erreicht werden, die es gedruckten Konstrukten ermöglichen, sich als Reaktion auf externe Signale mehrfach vorprogrammiert oder nach Bedarf zu verändern.

Das Bioprinting von 4D-Konstrukten bietet Wissenschaftlern die Möglichkeit, die Formänderungen, die während der Entwicklung, Heilung und normalen Funktion von echtem Gewebe auftreten, besser nachzuahmen und komplexe Strukturen herzustellen.

Eine neue Studie im Wissenschaftsjournal Fortgeschrittene Werkstoffe beschreibt die Entwicklung einer neuen zellbeladenen Biotinte, die aus dicht gepackten, flockenförmigen Mikrogelen und lebenden Zellen besteht, für das Bioprinting von 4D-Konstrukten. Dieses neue System ermöglicht die Herstellung zellreicher Biokonstrukte, die unter physiologischen Bedingungen ihre Form ändern können.

Die Studie mit dem Titel „Jammed Micro-Flake Hydrogel for Four-Dimensional Living Cell Bioprinting“ wurde von Ingenieuren der University of Illinois Chicago verfasst, die die Bioink erstellt und Experimente mit Prototyp-Hydrogelen durchgeführt haben.

Ihre Experimente führten zu einer Vielzahl komplexer Biokonstrukte mit wohldefinierten Konfigurationen und hoher Zelllebensfähigkeit, einschließlich einer knorpelähnlichen 4D-Gewebebildung. Weitere Designs demonstrieren komplexe, mehrfache 3D-zu-3D-Formtransformationen in Biokonstrukten, die in einem einzigen Druckverfahren hergestellt werden.

„Dieses Bioink-System bietet die Möglichkeit, Biokonstrukte zu drucken, die im Laufe der Zeit anspruchsvollere architektonische Veränderungen erreichen können, als dies bisher möglich war. Diese zellreichen Strukturen mit vorprogrammierbarer und kontrollierbarer Formveränderung versprechen, die natürlichen Entwicklungsprozesse des Körpers besser nachzuahmen und könnten Wissenschaftlern helfen genauere Studien zur Gewebemorphogenese durchführen und größere Fortschritte in der Gewebezüchtung erzielen“, sagte der korrespondierende Autor der Studie, Eben Alsberg, Richard und Loan Hill Chair, der Ernennungen in den Abteilungen für Biomedizintechnik, Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen, Pharmakologie und Regenerative Medizin innehat Orthopädie.

Alsberg sagt, dass Bioink frühere Technologien in mehrfacher Hinsicht vorantreibt.

„Die Biotinten haben sogenannte Scherverdünnungs- und schnelle Selbstheilungseigenschaften, die einen reibungslosen Extrusionsdruck mit hoher Auflösung und hoher Wiedergabetreue ohne Stützbad ermöglichen. Die gedruckten Biokonstrukte bleiben nach weiterer Stabilisierung durch lichtbasierte Vernetzung dabei intakt – zum Beispiel – Biegen, Verdrehen oder Durchlaufen einer beliebigen Anzahl von Mehrfachverformungen. Mit diesem System könnten knorpelähnliche Gewebe mit komplexen Formen, die sich im Laufe der Zeit entwickeln, biotechnologisch hergestellt werden“, sagte Alsberg. „Eine weitere wichtige Errungenschaft war die Entwicklung eines Systems, das die Herstellung von Biokonstrukten ermöglicht, die komplizierte 3D-zu-3D-Formtransformationen durchlaufen können.“

„Dies ist das erste System, das die anspruchsvollen Anforderungen des Biodrucks von 4D-Konstrukten erfüllt: Lebende Zellen in Biotinten laden, das Drucken großer komplexer Strukturen ermöglichen, Formwandlungen unter physiologischen Bedingungen auslösen, die langfristige Lebensfähigkeit von Zellen unterstützen und gewünschte Zellfunktionen wie Gewebe ermöglichen Regeneration“, sagte Aixiang Ding, Postdoktorandin an der UIC und Erstautorin der Veröffentlichung. „Wir bemühen uns, dieses System in klinische Anwendungen der Gewebezüchtung zu überführen, da es einen kritischen Mangel an verfügbaren Spendergeweben und -organen gibt.“

Oju Jeon, David Cleveland, Kaelyn Gasvoda, Derrick Wells und Sang Jin Lee von der UIC sind Co-Autoren des Papiers.