Bioprinten heeft gezorgd voor een nieuwe kijk op celonderzoek. Tot nu toe hebben 3D-printmethoden echter nog niet aan de verwachtingen voldaan. Maar aan de Technische Universiteit van Wenen is nu een speciale bio-inkt ontwikkeld om de huidige problemen op te lossen.

De nieuwe bio-inkt maakt het volgende mogelijk:

  • extreem snel en met een hoge resolutie 3D-printen;
  • het direct integreren van levende cellen in de microstructuren tijdens het drukproces.

Het bioprinten van microstructuren voorziet celonderzoek van modellen waarmee geobserveerd kan worden hoe ziekten zich via cellen verspreiden en hoe hun ontwikkeling kan worden gestuurd. Aan 3D-printen wordt echter hoge eisen gesteld: niet alleen zijn de structuren klein, ze moeten ook de natuurlijke omgeving van de cellen weerspiegelen. Het zijn namelijk zowel de mechanische en chemische eigenschappen als de geometrie van de celomgevingen die de verspreiding van cellen beïnvloeden.

Concreet betekent dit dat de celomgevingen doordringbaar moeten zijn voor voedingsstoffen, zodat de cellen kunnen overleven en zich kunnen vermenigvuldigen. Het is ook van belang of de structuren stijf of flexibel zijn en of ze stabiel zijn of in de loop der tijd afbreken.

Problemen van bioprinten

De productie van microscopisch gedetailleerde 3D-objecten is nu relatief eenvoudig. Tijdens de bioprinttechniek – een speciaal aanvullend 3D-drukproces – worden levende cellen tijdens het 3D-proces in de structuur ingebed. De zwakke punten van deze techniek zijn soms een gebrek aan precisie en beperkte verwerkingstijd van de levende cellen. Indien deze tijd wordt overschreden, raken de cellen beschadigd.

Precisie versus snelheid

De grootste technische uitdaging bij het maken van bioprints is vaak de ontoereikendheid van de huidige technologieën. Lithografische benaderingen zoals twee-fotonen-polymerisatie (2PP) kunnen een einde te maken aan dit probleem.

De onderzoekers aan de TU Wenen hebben vele jaren ervaring met deze methode. Deze is gebaseerd op een chemische reactie die pas in werking treedt wanneer een molecuul van het materiaal twee fotonen van een laserstraal tegelijkertijd absorbeert. Dit is het geval wanneer de laserstraal een bijzonder hoge intensiteit heeft en voor een tijdige en zeer nauwkeurige uitharding van de stof zorgt. Deze eigenschappen zijn gunstig voor de zeer nauwkeurige productie van de fijnste structuren.

Het nadeel van twee-fotonen-polymerisatie zit soms in de trage printsnelheid, variërend van enkele micrometers tot millimeters per seconde.

Celvriendelijke bio-inkt

Volgens professor Aleksandr Ovsianikov, hoofd van de onderzoeksgroep 3D Printing and Biofabrication van het Instituut voor Materialenwetenschappen en Technologie van de Technische Universiteit van Wenen, heeft de langzame printsnelheid van bioprinten te maken met de keuze van chemische stoffen. Zijn team slaagde erin om met celvriendelijke materialen een snelheid van één meter per seconde te halen. De cellen kunnen alleen overleven en zich ontwikkelen als het proces binnen enkele uren is voltooid.

Dit betekent een belangrijke doorbraak op het gebied van de inbedding van levende cellen voor twee-fotonen-polymerisatie, verklaart Ovsianikov.

“De hoge snelheid van het laserscannen maakt het mogelijk om in een korte tijd structuren te genereren voor statistische analyses voor celkweek-experimenten en ook voor intensieve productie.” Aleksandr Ovsianikov

Een ander voordeel van de methode is dat de omgeving van cellen individueel kan worden aangepast. Afhankelijk van de structuur kan deze stijver of zachter worden gemaakt. Zelfs fijne, gelijkmatige overgangen zijn mogelijk. Daarnaast kan met de laserintensiteit ook de afbraak van de structuur in relatie tot de tijd worden aangepast.

De bio-inkt is op basis van een gelatine norbornene-hydrogel, waarbij dithiothreitol als thiol-crosslinker wordt gebruikt, samen met een speciale biocompatibele foto-initiator op basis van diazosulfonaat (doi: 10.1039/C8PY00278A).

Ook compatibel met stamcellen

De ontdekking van de celvriendelijke bio-inkt is niet alleen een technische doorbraak, maar ook een belangrijke bijdrage aan celonderzoek. De microstructuren uit het proces maken een nauwkeurigheid mogelijk die voorheen onbereikbaar was. Er kunnen nieuwe inzichten worden verkregen in de verspreiding van ziekten in het lichaam.

“Daarnaast is het materiaal ook compatibel met stamcellen en is het al in het laboratorium getest met zwaarlijvige menselijke stamcellen. Net als de L929-cellen die in de publicatie zijn gebruikt, kunnen deze cellen direct in de 3D-matrix worden ingebed en volgens een geschikte architectuur worden afgedrukt. Dit resulteert in een uitstekende levensvatbaarheid van de cellen.” Aleksandr Ovsianikov

Interdisciplinair team

Het onderzoeksproject beoogt een transnationale en interdisciplinaire samenwerking. Naast de TU Wenen zijn verschillende Belgische onderzoeksinstellingen betrokken: de Polymer Chemistry and Biomaterials Group in Gent, de Brussels Photonics Campus, de vakgroep Applied Physics and Photonics aan de Vrije Universiteit Brussel en Flanders Make in Lommel.

Binnen de TU Wenen waren drie instituten betrokken: Het Instituut voor Materiaalwetenschappen en Technologie, het Instituut voor Toegepaste Synthetische Chemie en het Instituut voor Lichtgewichtstructuren en Structurele Biomechanica.

De hoge-resolutie 3D-printtechnologie en de benodigde materialen zullen worden geïmplementeerd door UPNano, een nieuwe en succesvolle spin-off van de TU Wenen.

Publicatie: A. Dobos et al. (2019):  Thiol–Gelatin–Norbornene Bioink for Laser‐Based High‐Definition Bioprinting, Advanced Healtcare Materials.

 

Ook interessant:

3D-printen met etensresten moet voedselverspilling restaurants tegengaan