Duitse onderzoekers willen met bio-inkt alternatief voor kraakbeen maken

Groei en vervanging van beschadigd kraakbeenweefsel met behulp van een baanbrekende 4D-printtechnologie. Dat is waar een interdisciplinair team van het DWI – Leibniz Instituut voor Interactieve Materialen en de RWTH Aachen University naar streeft. Het krijgt een financiering van ongeveer 10 miljoen euro van de Werner Siemens Foundation voor vijf jaar om een zogenaamde bio-inkt met speciale eigenschappen te ontwikkelen in het “TriggerINK” project, zei de RWTH Aachen Universiteit in een persbericht.

Het menselijk lichaam bestaat uit verschillend gestructureerde en soms zeer complexe weefsels. Als ze beschadigd zijn, staat de geneeskunde voor grote uitdagingen om hun functie te herstellen. Hoewel er procedures bestaan om het kraakbeen in bijvoorbeeld de knie te herstellen, leiden dergelijke ingrepen niet tot een langdurige genezing die het beschadigde weefsel met inbegrip van zijn volledige functies herstelt. Daarom zijn vaak meerdere operaties nodig, omdat één behandeling niet leidt tot stabiel, gezond en functioneel kraakbeen.

Alternatieve technologie

Het DWI-RWTH-team wil in het TriggerINK-project een alternatieve technologie voor weefselvervanging ontwikkelen. Het wordt geleid door Laura De Laporte, hoogleraar geavanceerde materialen en biogeneeskunde. De professoren Stefan Hecht (3D-printen met licht), Andreas Herrmann (geneesmiddelafgifte met ultrageluid) en Matthias Wessling (chemische procestechniek) maken het team compleet. TriggerINK maakt gebruik van het innovatieve principe van 4D-printen, waarvoor een speciale bio-inkt wordt ontworpen. 4D-printen is een verdere ontwikkeling van de 3D-printtechnologie: bij conventioneel 3D-printen wordt laag na laag van een materiaal op elkaar aangebracht, zodat een driedimensionale structuur ontstaat – zoals een kubus.

“De bijkomende factor waaraan 4D-printen ook zijn naam dankt, is ‘tijd’. We verwerken speciale componenten in de inkt die op zeer specifieke tijdstippen reageren op externe stimuli. Het geprinte materiaal – de kubus in het voorbeeld – kan bijvoorbeeld met licht worden bewogen of bioactieve componenten kunnen met ultrageluid worden vrijgegeven wanneer dat nodig is,” legt De Laporte uit. Het team wil nu een nieuwe methode ontwikkelen om beschadigd lichaamsweefsel te vervangen: Met directe druk van 4D structuren in de aangetaste wond. Om de technologie te testen, hebben de onderzoekers gekozen voor kraakbeen in het kniegewricht.

“We staan voor een aantal uitdagingen bij het opnieuw aangroeien van gezond weefsel in beschadigde gebieden. Zo moet het bedrukte materiaal een zeer specifieke structuur hebben die vergelijkbaar is met die van zijn natuurlijke tegenhanger. Daarom bevat het poriën en georiënteerde microstructuren die de groei van lichaamseigen cellen in het weefsel bevorderen, zodat het zijn oorspronkelijke functie weer kan vervullen. In het geval van het kniegewricht, bijvoorbeeld, moet het druk- of wrijvingsbelastingen weerstaan,” legt professor Matthias Wessling uit. Zijn onderzoek heeft onder meer betrekking op de procedurele vereisten voor het afdrukken van poreuze en microgestructureerde objecten.

Supersnelle bioprinter maakt in oogwenk stukje mens

Met een 3D-printer delen van het menselijk lichaam namaken. Dat kan met de printer die door de Universiteit Utrecht en UMCU is ontwikkeld.

Bio-inkt

Het idee van TriggerINK bestaat uit stappen die in elkaar overvloeien tijdens het drukproces. In het proces komen de verschillende eigenschappen van de bio-inkt aan het licht. “Het doel is om de bio-inkt continu in de wond te printen. Het bevat verschillende ingrediënten die reageren op bestraling met licht, bijvoorbeeld. Op die manier worden tijdens het drukproces dwarsverbindingen gevormd die een dragend kader en poriën vormen,” legt Hecht uit, in wiens laboratoria dergelijke speciale lichtgevoelige bouwstenen worden ontwikkeld.

“Wij streven ernaar een medisch product te ontwikkelen – wat betekent dat ook het perspectief van de gebruikers uit de kliniek voor ons onontbeerlijk is. Daarom worden we ook begeleid en geadviseerd door hooggeplaatste collega’s uit zowel de geneeskunde als de moleculaire celbiologie,” zegt professor Stefan Hecht. Voor de inkt zal het team gebruik maken van een technologie die Laura De Laporte heeft ontwikkeld en gepatenteerd: het zogenaamde ANISOGEL voor gerichte groei van zenuwcellen.

Voorts zal de bio-inkt ingekapselde groeifactoren en immunomodulerende stoffen bevatten. “Deze kunnen naar behoefte worden vrijgegeven met behulp van ultrageluid en zijn bedoeld om het genezingsproces te ondersteunen,” legt professor Andreas Herrmann uit.