Biologische Farbverläufe helfen Forschern, mehr über Bioprinting zu verstehen

Biologische Gradienten beeinflussen tiefgreifend viele zelluläre Aktivitäten wie Adhäsion, Migration und Differenzierung, die der Schlüssel zu biologischen Prozessen wie Entzündung, Remodellierung und Geweberegeneration sind. Konstruierte Strukturen, die bioinspirierte Gradienten enthalten, können daher nicht nur ein besseres Verständnis dieser Phänomene unterstützen, sondern auch die derzeitigen Grenzen der regenerativen Medizin lenken und verbessern. Die Forscher untersuchten diesen Bedarf in einem kürzlich veröffentlichten Artikel mit dem Titel “Engineering Biological Gradients”. Das Tissue-Engineering wird für Forscher auf der ganzen Welt immer interessanter, da sie sich weiterhin bemühen, menschliche Organe im 3D-Druck zu drucken.

In der regenerativen Medizin werden mittlerweile viele verschiedene Geräte und Implantate hergestellt – die Forscher ordnen Strukturen hier entweder als Gerüste oder Konstrukte ein (Gerüste kombiniert mit Zellen vor der Implantation). Da die Forscher versuchen, mit noch weniger Grenzwerten voranzukommen, haben sie mit der Messung und Analyse für die klinische Therapie und beim Konstruieren von Gewebe für das In-vitro-Screening begonnen, um ein besseres Feedback zu ermöglichen.

“Das Vorhandensein eines Gradienten verleiht jedem Punkt des Substrats einen bestimmten Wert der variierenden Größe, wodurch die Auswirkungen jeder Variablen auf ein bestimmtes Phänomen wie Zelladhäsion, Ausbreitung, Morphologie oder Differenzierung analysiert werden können”, sagten die Forscher . “Dies bietet einen großen Vorteil sowohl für das Tissue-Engineering als auch für das Wirkstoff-Screening, da die Auswirkungen verschiedener Variablen auf ein Phänomen in einem einzigen Versuchsaufbau und nicht in einer Reihe von Experimenten unter verschiedenen Bedingungen analysiert werden.”

Gradienten sind im Wesentlichen Variablen, die in einer Reihe verschiedener Messungen verwendet werden. Sie können je nach Typ nach abweichenden Mengen kategorisiert werden und umfassen:

a) Linear
b) Radial
c) Exponentiell
d) Orthogonal
e) Nichtlineare Formen

Ein Gradientenbereich von Werten über eine gegebene Qualität ermöglicht an jedem Punkt eine besser definierte, spezifischere Eigenschaft. Die Forscher erklären weiter, wie wichtig Farbverläufe beim Kopieren der Anisotropie von Gewebe sind, und sie bilden die Grundlage für so viele “Phänomene” hinter zellulären und bakteriellen Ergebnissen. Sie untersuchen Semi-Immersion, Diffusion, Zusammensetzungstopographie, selektive Bestrahlung und mikrofluidische Geräte.

„… Der Gradient ist normalerweise stetig und variiert die chemischen oder physikalischen Eigenschaften innerhalb des Systems. Beide Methoden eignen sich für die Herstellung von Gerüsten zur Regeneration eines einzelnen Gewebes (Knochen, Knorpel, Haut, Sehnen, Nerven usw.) oder für das Interface-Tissue-Engineering (Knorpel-zu-Knochen und Sehnen-zu-Knochen)“, Sagen die Wissenschaftler.

Beim Rapid Prototyping über den 3D-Druck können komplexe Geometrien erstellt und problemlos geändert werden. Für das Studium des Bioprintings verwendeten die Forscher Scans der Zielknochenstruktur eines Patienten, der einen Scan durchgeführt hatte. Der Scan wurde in 3D-Daten umgewandelt und ein Gradient der radialen Porosität gebildet.

„Biochemische Gradienten sind mit dem Bioprinting komplexer zu erreichen. Änderungen in der chemischen Zusammensetzung gedruckter Gerüste implizieren die Notwendigkeit, während des Druckprozesses verschiedene Bio-Verbindungen zu verwenden“, so die Forscher.

Biogedruckte Gerüste, die aus drei verschiedenen Konzentrationen von Gelatine und Fibrinogen gebildet wurden, zeigten eine stärkere osteogenetische Differenzierung menschlicher Fruchtwasser-Stammzellen, wenn sie als In-vitro-Konstrukte angewendet wurden, und induzierten Vaskularisierung oder Gewebebildung, wenn sie in Mäuse implantiert wurden.

Die Zeit, die zum Abschließen des Druckens erforderlich ist, wird jedoch durch die zahlreichen Umschaltzeiten (jeweils etwa 20 s) der verschiedenen Düsen, die zum Wechseln der Abscheidung unterschiedlicher Materialien erforderlich sind, erheblich verlängert. Darüber hinaus müssen die Tinten normalerweise nach der Extrusion vernetzt werden, was die Auswahl geeigneter biokompatibler Materialien einschränkt.

„Bislang ist die Hauptanwendung von abgestuften Strukturen auf die Untersuchung der Auswirkungen der verschiedenen Parameter auf die Zellaktivitäten beschränkt. Beim Übergang zu bioinspirierten Strukturen für die regenerative Medizin wurden einige Beispiele für abgestufte Gerüste in der Knochen- und Knorpelregeneration beschrieben. In vielen Anwendungsbereichen, wie In-vitro-Modellen und sanfter bis harter regenerativer Medizin, wird jedoch das Potenzial von Materialien für das Engineering von graduierten Materialien unterschätzt“, schlussfolgerten die Forscher.
„Die Charakterisierungstechniken sollten erweitert werden, um die Notwendigkeit zu untersuchen, die Eigenartigkeit von abgestuften Materialien zu untersuchen und die Produktionsmethoden zu validieren. Mit zunehmendem Wissen über die Herstellung und Charakterisierung von abgestuften Strukturen können neue Szenarien für die Entwicklung von bioinspirierten Materialien untersucht werden.“