Biotinte basierend auf Tonerde verbessert 3D-Bioprinting mit Zellen

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Forscher der University of Southampton und der Technischen Universität Dresden haben eine Biotinte basierend auf Laponit-Ton entwickelt, um damit menschliche mesenchymale Stammzellen am 3D-Bioprinter zu drucken.

Hauptbestandteil der neu entwickelten Biotinte neben Alginat und Methylcellulose ist Laponit, ein synthetisches Silikatadditiv, das scherabhängige Viskosität verleiht und so die Kontrolle über den Druckprozess sowie die Stabilität der gedruckten Strukturen verbessert. Das Material erhält das gedruckte Gerüst bis zu 21 Tage und ermöglicht zudem eine hohe Lebensfähigkeit für die Zellen. Weiters hat Laponit aufgrund anhaltender Freisetzung von zwei Modellproteinen Potential für den Wirkstofftransport bei Medikamenten.

„Die Integration von Laponit in Biotinten ermöglicht die Entwicklung von neuen Zusammensetzungen aufgrund der interessanten Interaktionsfähigkeiten von Laponit mit polymerischem Hydrogel,“ erklärt Richard Oreffo von der Universität in Southampton und Autor der Studie mit dem Titel „Development of a clay based bioink for 3D cell printing for skeletal application“.

Eine der Herausforderungen beim 3D-Bioprinting ist die Fähigkeit der Materialien nach der Extrusion ihre Form zu behalten und gleichzeitig das Überleben der Zellen zu sichern. Daher ist das Steuern von Eigenschaften wie Viskosität und dem Gelierprozess bedeutend für dieses Verfahren.

Laponit kommt vorwiegend in der Kosmetikindustrie zum Einsatz um die Fließeigenschaften von Produkten auf Wasserbasis zu verbessern. In ihrer Studie haben die Forscher das Material zur Verbesserung der Eigenschaften von Biotinte verwendet. Schlüssel dabei ist die Strukturviskosität, was bedeutet dass das Material bei stärkerer Scherung weniger zähflüssig wird. So wird eine höhere Viskosität während der Extrusion erzielt während die gedruckte Struktur ihre Form behält.

Die zu gleichen Teilen bestehende Mischung aus Laponit, Alginat und Methylcellulose stellte sich als optimal für den 3D-Druck heraus. Die damit hergestellten Zellstrukturen haben ihre Form noch nach 21 Tagen Inkubation unter optimalen Bedingungen erhalten. Zwischen 70 bis 75% der Zellen sind zu diesem Zeitpunkt noch erhalten geblieben. Derzeit arbeitet das Forscherteam an der Integration von Laponit als Hydrogel-System für Biomaterialien mit eingeschränkter Druckbarkeit, Stabilität und Bioverträglichkeit.

„Die Biotinte aus Laponit, Alginat und Methylcellulose zeigte verbesserte Druckeigenschaften und eine positive Überlebensrate der Zellen,“ fügt Oreffo hinzu. „Unsere nächsten Schritte werden sich auf die Verbesserung der Zellreaktion innerhalb dieser gedruckten Konstruktionen fokussieren, entweder durch anschließende Konservierung des vernetzten Zustands der Trägerstruktur oder durch die Bindefähigkeit von Wachstumsfaktoren der Biotinte mit Proteinen welche die Zellreaktion verbessert.“