Home Forschung & Bildung Der neue 3D-Druckansatz macht Gitterstrukturen im Zellmaßstab

Der neue 3D-Druckansatz macht Gitterstrukturen im Zellmaßstab

Eine neue Art der Herstellung von Gerüsten für biologische Kulturen könnte es ermöglichen, Zellen mit sehr gleichmäßiger Form und Größe und möglicherweise mit bestimmten Funktionen zu züchten. Der neue Ansatz verwendet eine äußerst feine 3D-Druckform, bei der Fasern um ein Zehntel der Breite eines menschlichen Haares gezogen werden.

Das System wurde von Filippos Tourlomousis, Postdoc am MITs Center for Bits and Atoms, und sechs weiteren am MIT und am Stevens Institute of Technology in New Jersey entwickelt. Die Arbeit wird in der Zeitschrift Microsystems and Nanoengineering berichtet.

Viele Funktionen einer Zelle können durch ihre Mikroumgebung beeinflusst werden. Ein Gerüst, das eine präzise Kontrolle dieser Umgebung ermöglicht, kann neue Möglichkeiten für die Kultivierung von Zellen mit bestimmten Eigenschaften, für die Forschung oder sogar für die medizinische Verwendung eröffnen.

Während gewöhnlicher 3D-Druck Filamente mit einer Dicke von bis zu 150 Mikrometern (Millionstel Meter) erzeugt, können laut Tourlomousis Fasern auf Breiten von 10 Mikrometern gebracht werden, indem ein starkes elektrisches Feld zwischen der Düse, auf der die Faser extrudiert wird, hinzugefügt wird welche die Struktur gedruckt wird. Diese Technik wird als Schmelz-Elektroschriften bezeichnet.

“Wenn Sie Zellen nehmen und auf eine herkömmliche 3D-gedruckte Oberfläche legen, ist dies für sie wie eine 2D-Oberfläche”, erklärt er, weil die Zellen selbst viel kleiner sind. Bei einer maschenähnlichen Struktur, die mit der Elektroschreibmethode gedruckt wurde, hat die Struktur jedoch dieselbe Skalierung wie die Zellen selbst. Daher können ihre Größen und Formen sowie die Art und Weise, wie sie Adhäsionen mit dem Material bilden, durch Anpassen der porösen Mikroarchitektur von gesteuert werden die gedruckte Gitterstruktur.

“Indem Sie bis zu diesem Maßstab drucken können, erzeugen Sie eine echte 3D-Umgebung für die Zellen”, sagt Tourlomousis.

Er und das Team verwendeten dann konfokale Mikroskopie, um die Zellen zu beobachten, die in verschiedenen Konfigurationen feiner Fasern gewachsen waren, von denen einige zufällig, einige genau in Maschen unterschiedlicher Abmessungen angeordnet waren. Die große Anzahl der resultierenden Bilder wurde dann analysiert und mit künstlichen Intelligenzmethoden klassifiziert, um die Zelltypen und ihre Variabilität mit den Arten der Mikroumgebung zu korrelieren, mit unterschiedlichen Abständen und Anordnungen von Fasern, in denen sie gewachsen wurden.

Zellen bilden Proteine, die als fokale Adhäsionen bezeichnet werden, an den Stellen, an denen sie sich an die Struktur anheften. “Fokale Verwachsungen sind die Art und Weise, wie die Zelle mit der äußeren Umgebung kommuniziert”, sagt Tourlomousis. “Diese Proteine ​​weisen messbare Merkmale im gesamten Zellkörper auf, sodass wir die Metrologie durchführen können. Wir quantifizieren diese Merkmale und verwenden sie, um einzelne Zellformen ganz genau zu modellieren und zu klassifizieren.”

Für eine gegebene netzartige Struktur sagt er: “Wir zeigen, dass Zellen Formen annehmen, die direkt mit der Architektur des Substrats und den mit der Schmelze elektrisch beschrifteten Substraten gekoppelt sind”, was im Vergleich zu zufällig strukturierten Vliesstoffen ein hohes Maß an Gleichförmigkeit fördert. Solche einheitlichen Zellpopulationen könnten möglicherweise in der biomedizinischen Forschung nützlich sein, sagt er: “Es ist allgemein bekannt, dass die Zellform die Zellfunktion steuert, und diese Arbeit schlägt einen formgesteuerten Weg für das Engineering und die Quantifizierung von Zellreaktionen mit hoher Genauigkeit und mit großer Reproduzierbarkeit vor.”

Er sagt, dass er und sein Team in jüngster Arbeit gezeigt haben, dass bestimmte Arten von Stammzellen, die in solchen 3D-bedruckten Netzen wachsen, überlebten, ohne dass ihre Eigenschaften viel länger verloren gingen als auf einem herkömmlichen zweidimensionalen Substrat. So könnte es medizinische Anwendungen für solche Strukturen geben, vielleicht als Möglichkeit, große Mengen menschlicher Zellen mit einheitlichen Eigenschaften zu züchten, die für die Transplantation verwendet werden könnten, oder um Material für den Bau künstlicher Organe bereitzustellen, sagt er. Das für den Druck verwendete Material ist eine von der FDA bereits zugelassene Polymerschmelze.

Die Notwendigkeit einer genaueren Kontrolle der Zellfunktion ist ein wichtiger Hindernis für den Transport von Tissue-Engineering-Produkten in die Klinik. Etwaige Schritte zur Verschärfung der Spezifikationen des Gerüsts und damit auch zur Verschärfung der Varianz des Zellphänotyps sind in dieser Branche dringend erforderlich, so Tourlomousis.

Das Drucksystem könnte auch andere Anwendungen haben, sagt Tourlomousis. Beispielsweise könnten “Metamaterialien” gedruckt werden – synthetische Materialien mit geschichteten oder gemusterten Strukturen, die exotische optische oder elektronische Eigenschaften erzeugen können.

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