果冻传媒

Is Xolografie de techniek die in de toekomst 3D-geprinte harten en nieren mogelijk zal maken? 鈥淗elaas is dit voorlopig nog pure speculatie, vrees ik,鈥� tempert Miguel Dias Castilho de verwachtingen.

鈥淰oorlopig beschouwen we de technologie nog als een hackerspace.鈥� Deze pioniersgeest wordt perfect weerspiegeld in de printer, een vroeg prototype voor het printen van weefsel, waarvan de feloranje acrylbehuizing een binnenkant van draden, projectoren, koperen spoelen en kleine digitale displays onthult.

Hoewel het speculatief lijkt voor nu, is het gedetailleerd en in een oranje 3D-printer ter grootte van een koffer volkomen re毛el. 鈥淓n ons onderzoek is een noodzakelijke eerste stap voor de toekomst van de weefseltechnologie. Op dit moment kan het fysiologisch meer relevante 3D-omgevingen printen voor celcultuur, en op de lange termijn zou het kunnen helpen om 3D-geprinte organen werkelijkheid te maken,鈥� zegt Dias Castilho.

Weefsel printen met licht

In het hart van de machine zit een piepkleine cuvet met een vloeistof die als bij toverslag in een vaste stof verandert. Maar in plaats van met een toverstaf te zwaaien, projecteert Lena Stoecker, promovenda van Dias Castilho's gloednieuwe Biomaterials Engineering and Biofabrication-groep, lichtstralen op vloeistoffen om levensvatbare celbeladen geometrie毛n tevoorschijn te toveren.

Stoecker heeft met succes een nieuwe 3D-printtechniek, genaamd Xolografie, aangepast om biomaterialen te printen. Terwijl ze de printer demonstreert door een cuvet met een vloeistof erin te plaatsen, legt Stoecker uit wat haar aantrok in het 3D-printen van weefsels: 鈥淚k kwam voor het eerst in aanraking met 3D-printen als student-assistent tijdens mijn studie werktuigbouwkunde en bedrijfskunde. We gebruikten 3D-printen voornamelijk voor prototyping en tooling voor kleine serieproductie, en ik was gefascineerd door de mogelijkheid van de technologie om (bijna) elk idee te realiseren.鈥�

Ik genoot altijd al van het oplossen van wetenschappelijke uitdagingen binnen de technologie, maar soms miste ik mijn persoonlijke 'hogere doel'. Dat vond ik in de overstap naar biomedische toepassingen met hun duidelijke doel om uiteindelijk de gezondheid te verbeteren.

- Lena Stoecker

Biomedische uitdagingen

Het is geen verrassing dat Stoecker zich aangetrokken voelde tot weefseltechnologie, wat van nature een multidisciplinair vakgebied is dat de expertise van moleculair biologen, ingenieurs en ontwerpers combineert.

De grootste drieledige uitdaging waar weefselingenieurs wereldwijd voor staan, is het maken van levensvatbare 3D-weefsels die sterk lijken op de natuurlijke omgeving van cellen, om dat snel te te doen, en om het precies te doen. Dit is de heilige graal.

鈥淓r was een grote hype rond 3D-printen voor biomedische technologie, maar de technologie voldeedt niet aan de hooggespannen verwachtingen,鈥� legt Stoecker uit. "Mijn droom voor Xolografie zou zijn om zich te ontwikkelen tot een technologie die daadwerkelijk in staat is om weefsel- en orgaanmodellen te cre毛ren om ziekten te bestuderen en behandelingen te ontwikkelen."

Een techniek uit de designwereld

Xolografie is een baanbrekende fusie van engineering, natuurkunde en chemie, waarbij licht wordt gebruikt om vloeibare polymeren in 3D te printen. Het maakt gebruik van de kracht van twee elkaar kruisende lichtstralen van verschillende golflengten in een lichtreactieve vloeistof. Wanneer lichtstralen samenkomen, veranderen ze de vloeistof in een gedetailleerd, stevig 3D-object ter grootte van een gummi beer in minder dan een minuut.

De technologie is ontwikkeld door de Duitse chemicus Stefan Hecht en natuurkundige Martin Regehly, die deze verder hebben aangepast voor diverse toepassingen in hun spin-off bedrijf Xolo. Vier jaar geleden mijmerde Hecht over het potentieel van Xolografie voor het genereren van complexe biologische structuren.

Dias Castilho: 鈥淰ier jaar geleden was Xolo op zoek naar manieren om zijn technologie verder te ontwikkelen voor biomedische toepassingen, terwijl mijn team op zoek was naar een disruptieve technologie die mogelijk een hoge resolutie, snelle productiesnelheden en schaalbaarheid zou kunnen bieden 鈥� dus een perfect huwelijk.鈥�

Vandaag de dag hebben de 果冻传媒-onderzoekers van de Biomaterials Engineering and Biofabrication-groep het printen van weefsel met licht werkelijkheid gemaakt. Hecht en Regehly volgen de bevindingen van de onderzoeksgroep met interesse, aangezien zij de eerste wetenschappers ter wereld zijn die deze technologie gebruiken om levend materiaal te printen.

Dat gebeurde niet van de ene op de andere dag, omdat de onderzoekers nog enkele extra uitdagingen moesten overwinnen om Xolografie aan te passen aan het printen van levend weefsel, Dias Castilho noemt er een paar:

鈥淒e gebruikte materialen moeten onder meer biocompatibel zijn. Naast de hydrogels die we voor het proces ontwikkelden, ontdekten we dat het foto-initiatorsysteem zelf niet erg celvriendelijk was en moest worden vervangen. In nauwe samenwerking met het bedrijf hebben we de materiaalformuleringen ontwikkeld en geoptimaliseerd om ervoor te zorgen dat ze veilig zijn voor biomedische toepassingen.鈥�

Steigers printen om cellen in het laboratorium te kweken

Stoecker printte hydrogel 鈥榮teigers鈥� die kunnen worden gebruikt als tijdelijke ondersteuningsstructuren om cellen in het laboratorium te kweken. Ze zegt: "Om succesvol weefsel te kweken, streven we ernaar dat de hydrogelsteigers kenmerken bevatten die de natuurlijke omgeving van bijvoorbeeld beenmergcellen nabootsen."

鈥淲e konden gedetailleerde steigers printen met pori毛n in het bereik van 100 渭m鈥�1 mm, wat de toevoer van voedingsstoffen door de steiger tijdens de celcultuur zou kunnen garanderen. Kleine verhoogde elementen konden worden geprint tot slechts 20 渭m, in de grootte van een menselijke cel.鈥�

3D-materiaaleigenschappen afstemmen met licht

Printen op kleine schaal is niet voldoende om natuurlijk weefsel na te bootsen en nauwkeurige controle uit te oefenen over het gedrag van de cel. 鈥淣atuurlijke weefsels vertonen verschillende eigenschappen, ze zijn bijvoorbeeld stijver op de ene plaats en flexibeler op de andere.鈥�

鈥淏estaande technieken printen objecten die homogener zijn鈥�, zegt Stoecker. 鈥淲e zijn erin geslaagd materialen te cre毛ren waarbij we de eigenschappen volledig in 3D controleren, zodat we stijvere en flexibele gebieden kunnen cre毛ren waar we ze willen.鈥�

Door de lichtintensiteit van de projectie te varie毛ren, kunnen de eigenschappen van het weefsel nauwkeurig gecontroleerd worden.

Kunstmatige spieren

Dias Castilho zegt: 鈥淗et is erg moeilijk geweest om materialen te pritnen die van vorm kunnen veranderen 鈥� en weer terug kunnen veranderen, wat essentieel is om weefsels te maken die werken als organisch weefsel.鈥�

Het team is erin geslaagd om thermisch responsieve hydrogels te implementeren om 4D-geprinte structuren mogelijk te maken, waarbij de vierde dimensie tijd is. 鈥淒eze materialen kunnen in de loop van de tijd van vorm of eigenschappen veranderen als reactie op temperatuurveranderingen, waardoor complexere en functionelere weefselconstructies mogelijk worden鈥�, zegt Dias Castilho, 鈥渮oals kunstmatige spieren die kunnen buigen en strekken als reactie op subtiele temperatuurveranderingen.鈥�

Dias Castilho: 鈥淲e hebben nu aangetoond dat deze technologie veelbelovende mogelijkheden biedt voor de gezondheidszorg. Het stelt ons in staat om meer realistische en beter functionerende weefselmodellen en implantaten te maken.鈥�

De resultaten die worden beschouwd als een hallmark-publicatie. "Wij geloven dat dit een fundamenteel artikel is", zegt Dias Castilho. 鈥淚k geloof dat inzichten in het artikel zullen helpen om de lichtgebaseerde fabricage van celbeladen hydrogels met hoge resolutie en programmeerbare mechanische eigenschappen en vorm te bevorderen. In de volgende fase zullen in vitro modellen en bioprintoplossingen voor weefselherstel worden verbeterd.鈥�

Stoecker voegt eraan toe: "Ik ben me er van bewust dat ons onderzoek nog een lange weg te gaan heeft om mensen te bereiken, maar ik vind het een prettig idee dat de technieken die we in het lab ontwikkelen misschien ooit zullen bijdragen aan het verbeteren van de gezondheid en iemands leven."