Forscher entwickeln kostengünstigen Open-Source-3D-Bioprinter

Während 3D-Bioprinting noch nicht in der Lage ist, vollständige menschliche Organe herzustellen, kann es zur Herstellung verschiedener Arten von menschlichem Gewebe wie Herz und Gallengang verwendet werden. Eine der Haupthindernisse bei der Bildung lebensfähiger Gewebe für den klinischen und wissenschaftlichen Gebrauch ist die Entwicklung von Vaskulatur für künstlich hergestellte Gewebekonstrukte, hauptsächlich durch die Erzeugung von Verzweigungskanälen in Hydrogelkonstruktionen, die später gefäßähnliche Strukturen erzeugen können, nachdem sie mit Endothelzellen besiedelt wurden.

Dank 3D-Bioprinting ist es nun möglich, komplexe Strukturen auf mehreren Längenskalen in einem einzigen Konstrukt zu drucken. Dies ermöglicht die Erzeugung von verzweigten, miteinander verbundenen Gefäßsystemen aus kleinen, venösen Mikrogefäßen und größeren Makrogefäßen, was mit bisherigen Methoden des Tissue Engineering nicht möglich war. Das beste Opfermaterial für die Herstellung von verzweigten Gefäßleitungen in Hydrogelkonstruktionen ist jedoch noch nicht bestimmt.

Die Veröffentlichung

Ein Forscherteam der University of Toronto veröffentlichte kürzlich im Bioprinting Journal eine Arbeit mit dem Titel “Generierung von Gefäßkanälen in Hydrogelkonstruktionen mit einem kostengünstigen Open-Source-3D-Bioprinter und thermoreversiblen Gelen”. Co-Autoren der Zeitung sind Ross EB Fitzsimmons, Mark S. Aquilino, Jasmine Quigley, Oleg Chebotarev, Farhang Tarlan und Craig A. Simmons.

Der Beginn des Abstracts lautet: “Das Aufkommen des 3D-Bioprinting bietet neue Möglichkeiten, komplexe Gefäßstrukturen im Gewebe zu erzeugen. Das am besten geeignete Opfermaterial für die Herstellung von verzweigten Gefäßkanälen innerhalb von Hydrogelkonstruktionen ist jedoch noch nicht geklärt. Hier bewerten wir zwei führende Konkurrenten, Gelatine und Pluronic F-127, für eine Reihe von Eigenschaften, die für ihre Verwendung als Opfermaterial relevant sind (bedruckter Filamentdurchmesser und seine Variabilität, Toxizität, rheologische Eigenschaften und Druckmoduli). Um unsere Beurteilung zu erleichtern und die Einführung von 3D-Bioprinting im biomedizinischen Bereich zu beschleunigen, haben wir einen kostengünstigen (< 3000 $ CAD) 3D-Bioprinter entwickelt. Dieser Open-Source-3D-Drucker wurde so konzipiert, dass er modular mit 3D-Druck-/Laserschnittkomponenten und Standardelektronik gefertigt werden kann, um eine einfache Montage, iterative Verbesserungen und Anpassungen durch zukünftige Anwender des Designs zu ermöglichen.“

Der Bioprinter und die Anforderungen

Bestehende 3D-Bioprinter haben verschiedene technische Vorteile und Abscheideverfahren, die sich auf die Preise und die verfügbaren Anwendungen auswirken. Extrusionsbasierte 3D-Drucker sind gut für das Tissue Engineering, aber die Kosten sind in der Regel zu hoch, um ein signifikantes Wachstum zu erzielen.

Für dieses Experiment wählten die Forscher einen eigenen Open-Source-3D-Bioprinter, der etwa 3.000 Dollar kostet und für Anwendungen mit geringerer Auflösung eingesetzt werden kann, wie z.B. den 3D-Druck von perfundierbaren Mikrogefäßen in Gewebekonstruktionen.

Sowohl das gewählte Verfahren als auch das Material müssen eine Reihe von Anforderungen erfüllen, um komplexe Verzweigungsgefäßsysteme innerhalb von Hydrogelkonstruktionen erfolgreich in 3D zu drucken. Zuerst müssen Opfermaterialien, die nicht toxisch sein müssen und einen gleichmäßigen Filamentdurchmesser während des Druckens beibehalten, während des Druckvorgangs in der gewünschten Gefäßform abgelegt und dann nach Abschluss des Aufbaus weggespült werden.

Darüber hinaus muss der 3D-Drucker eine ausreichende Auflösung haben, um alle Kanäle zu drucken – auch die, die als kleine Arteriengefäße von ~0,5-1 mm fungieren. Es muss auch in der Lage sein, mindestens zwei Materialien abzuscheiden, aber mehr ist besser, wenn es darum geht, heterogene Gewebe mit unterschiedlichen Regionen unterschiedlicher Zell- und Hydrogelzusammensetzung zu erzeugen.

Das Material und die Versuche

Das Team untersuchte Rezepturen von Gelatine und PF127 aufgrund ihrer potenziellen Vorteile als Opfermaterialien in Gewebekonstrukten auf Hydrogelbasis. Gelatine, die in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen verwendet wurde, ist ein thermoreversibles (die Eigenschaft bestimmter Substanzen, bei Wärmeeinwirkung umgekehrt zu werden) Biopolymer aus mehreren hydrolysierten Kollagensegmenten und kann bei ~37 °C, einer zellverträglichen Temperatur, in 3D gedruckt werden.

PF127 ist ein Tensid, was bedeutet, dass es potenzielle zytotoxische Effekte auf eingebettete Zellen haben könnte. Aber es hat eine inverse thermische Gelierung, was bedeutet, dass es bei einer Umgebungstemperatur in 3D gedruckt und dann bei ~4 °C entfernt werden kann, um leere Gefäßkanäle zu erzeugen.

In dem Paper heißt es: “Durch den Einsatz unseres speziell angefertigten Druckers zur Beurteilung der Bedruckbarkeit dieser Materialien und zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften wollten wir herausfinden, welche die beste Möglichkeit zur Schaffung von verzweigten Gefäßkanälen innerhalb von technischen Geweben sein könnte”.

Der modulare 3D-Bioprinter des Teams umfasst Extrudersysteme, die aus ABS auf einem MakerBot 3D-Drucker ausgedruckt wurden und speziell für die Aufnahme von handelsüblichen, sterilen 10-mL-Spritzen entwickelt wurden, anstelle von maßgeschneiderten Behältern, die speziell angefertigt und wiederholt sterilisiert werden müssten. Ein Open-Source-Controller-Board Duet v0.6 steuert das System, und die Druckköpfe sind von den XYZ-Bewegungen, die vom unteren Teil des Gehäuses ausgeführt werden, isoliert.

Zu Testzwecken wurden mit jedem Extrudersystem Wassertröpfchen in einem definierten Muster in 3D gedruckt und der durchschnittliche Abstand zwischen den Tröpfchenmittelpunkten in X- und Y-Richtung gemessen; anschließend wurden die mittleren Abstände mit den vordefinierten CAD-Modellabständen verglichen.

“Abschließend haben wir festgestellt, dass PF127 der Gelatine als Opfermaterial für die Herstellung von vaskularisierten Geweben im Allgemeinen überlegen ist, da es eine gleichmäßige Filamentierung während des Druckvorgangs und einen höheren Druckmodul aufweist”, erklärte man abschließend im Paper.