Ein Bild, das lebende Stammzellen zeigt, die als Biotin ohne eine Trägermakrolösung in eine fotohärtbare

Quelle gedruckt werden können: © Eben Alsberg/University of Illinois, Chicago

Lebende Stammzellen können als Biotinte in ein lichthärtendes, selbstheilendes und scherverdünnendes Alginat-Mikrogel-Trägermedium gedruckt werden. Das Alginat-Mikrogel-Bad heilt sich schnell selbst und bildet ein stabiles Medium, das die gedruckten Stammzellen fest an Ort und Stelle hält

Wissenschaftler haben eine Plattform entwickelt, mit der Biotin in 3D-Gewebe gedruckt werden kann, indem eine unterstützende Aufschlämmung von Alginat-Mikrogel-Kügelchen verwendet wird. Die Technik überwindet die Grenzen herkömmlicher biologisch gedruckter Gerüste und ist vielversprechend für Tissue Engineering, regenerative Medizin, Wirkstoffscreening und Entwicklungsbiologie.

Beim Bioprinting von Gerüsten werden, wie der Name schon sagt, Zellen auf eine vorübergehende biologisch abbaubare Schablone aufgebracht, um Gewebe im Labor herzustellen. Dieser Ansatz ist unvollkommen; er ist mit Zytotoxizität und unterbrochenen Zell-Zell-Interaktionen verbunden. Als Alternative wurden in einigen Studien Mikrogel-Träger in einem gerüstfreien Verfahren getestet.

‚Die Herausforderung bei der Übertragung eines gerüstfreien Ansatzes auf das Bioprinting besteht darin, dass die gedruckten Zellen etwas brauchen, das sie an ihrem Platz hält, damit sie die gewünschte 3D-Struktur beibehalten‘, sagt Daniel Alge, ein Experte auf dem Gebiet des Tissue Engineering an der Texas A&M University, USA, der nicht an der Studie beteiligt war.

Ein US-amerikanisches Team unter der Leitung von Eben Alsberg von der University of Illinois in Chicago hat eine Plattform entwickelt, die ohne ein internes Gerüst funktioniert. Die Gruppe demonstrierte ihre Technik durch den Druck eines Oberschenkelknochens in Rattengröße und eines Knorpelohrs.

Ein Bild, das die Technik zur Herstellung eines Ohrs und eines Oberschenkelknochens in Rattengröße zeigt

Quelle: © Eben Alsberg/University of Illinois, Chicago

Das Team verwendete die Technik zur Herstellung eines Ohrs und eines Oberschenkelknochens in Rattengröße

In Anbetracht der Komplexität der Strukturen ist der gesamte Druckprozess relativ einfach. Ein modifizierter 3D-Drucker legt einzelne Stammzellen in ein mit Alginat-Mikrogel gefülltes Bad. Das Alginat wird dann durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht vernetzt, um die gedruckte Zellstruktur an Ort und Stelle zu fixieren. Alsberg erklärt, dass die Zellen innerhalb des Bades in der Lage sind, sich ausgiebig physisch zu kontaktieren und die extrazelluläre Matrix abzusondern, zu organisieren, abzubauen und umzugestalten, ohne dass ein dazwischenliegendes Biomaterialgerüst stört. Diese Zellkommunikation ist wichtig für die Bildung von Gewebe und wird durch das Alginatgelbad nicht behindert, während ein Gerüst die Zell-Zell-Interaktionen unterbricht. Das Team steuert, wie sich die Zellen zu einem Organ entwickeln, indem es Nährstoffe und Wachstumsfaktoren hinzufügt, die speziell zur Steuerung der Zelldifferenzierung entwickelt wurden. Wenn das Gewebe ausgereift ist, wird das fertige Konstrukt durch sanftes Rühren vom Bad getrennt. Ein vorausschauender Anwender kann den Träger sogar chemisch so gestalten, dass er sich in einem individuellen Tempo (innerhalb von Tagen oder mehreren Wochen) abbaut und das Gewebe freigibt, wenn es seine Entwicklung abgeschlossen hat.

Alge beschreibt das Verfahren als elegant und einfach: „Der Druck ist schnell und kann leicht vergrößert werden. Es könnte ein großartiges Werkzeug für die aufkeimende Biofabrikationsindustrie sein.‘

Die Skalierung des Prozesses auf den Druck von Konstruktionen aus mehreren verschiedenen Gewebetypen hält die Gruppe für machbar. Hochwertige 3D-Drucker mit mehreren Düsen könnten einen noch schnelleren und komplizierteren 3D-Druck von Geweben ermöglichen, die aus mehreren Zelltypen bestehen und eine höhere Auflösung und Genauigkeit aufweisen“, erklärt Alsberg. Eine mögliche Herausforderung besteht darin, unterschiedliche Zellphänotypen innerhalb desselben Konstrukts zu erhalten.

Alge sagt, dass in Zukunft „die Herausforderung darin bestehen wird, hohle Strukturen und ein funktionelles, durchlässiges Gefäßnetz herzustellen, was nach wie vor eine der größten Hürden auf diesem Gebiet ist“.

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