Elektrospinnen von Fasern für besseren Erfolg in biomimetischen 3D-Druckgerüsten

Chinesische Forscher versuchen, in „Three-dimensional printed electrospun fiber-based scaffold for cartilage regeneration“ Verfahren zur Schaffung besserer Materialien und angepasster Geometrien beim Biodruck zu verbessern. Hier werden neben dem 3D-Druck auch Gefriertrocknungsverfahren eingesetzt, um Tinte aus elektrogesponnenen Fasern herzustellen.
Die größte Herausforderung beim Biodruck besteht darin, die Zellen am Leben zu erhalten – und in den meisten Fällen benötigen solche Zellen eine Struktur, die die Stabilität für das Überleben bietet, sei es im Körper oder künstlich im Labor. Für die am Tissue Engineering beteiligten Wissenschaftler besteht der Schlüssel darin, die extrazelluläre Matrix (ECM) so genau wie möglich nachzuahmen. Jüngste Trends betreffen die Verwendung von faserigen Netzwerken zur Herstellung von Gerüsten, wobei sich das Elektrospinnen als erfolgreicher Herstellungsmodus herausstellt.

Herausforderungen treten jedoch auf, da durch Elektrospinnen erzeugte Fasern häufig zu 2D-Membranen mit einer im Vergleich zu Massengerüsten unzureichenden Porengröße und geringeren Dicke führen. Diese Hindernisse haben die Forscher beim Biodruck nicht davon abgehalten, aber wie die Autoren dieser Studie gewonnen Aufmerksamkeit für die weitere Erforschung.

Frühere Forschungen umfassten eine Vielzahl verschiedener Techniken, z. B. mehrschichtiges Sammeln, Sammeln mit Flüssigkeitsunterstützung und Sammeln mit Vorlagen. Dennoch haben sie keinen Erfolg beim 3D-Druck komplexer Gerüste mit einer guter Porengröße. Die Autoren untersuchten die Theorie jedoch weiter und skizzierten auch, wie man früheren Herausforderungen mit kurzen Einzelfaserstrukturen, effizienteren Verbindungs- und Extrusionstechniken und einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften begegnen kann.

Anschließend bewertete das Team die mechanischen Eigenschaften, die Porengröße und die Morphologie und untersuchte ein Knorpelregenerationsmodell sowohl in vitro als auch in vivo. Letztendlich stellten die Forscher fest, dass ihre Techniken erfolgreich waren, was zu Genauigkeit, großen Poren und guten mechanischen Eigenschaften führte.

Trockenverdampfungstechniken führten hier im Vergleich zu früheren Studien zu einem größeren Erfolg für die Forscher, zusammen mit der Zugabe von wässrigen HA- und PEO-Lösungen nach der Vernetzung. In ihren Forschungsproben bot das 3DP eine bessere mechanische Festigkeit im Vergleich sowohl zu ihrem Fasergelgerüst als auch zu ihrem Nichtfasergel/PLGA-Gerüst.

„Darüber hinaus wurde bestätigt, dass das 3D-gedruckte Gerüst auf der Basis von Nichtfasern eine schlechte mechanische Festigkeit aufweist, die für die Geweberegeneration nicht geeignet ist. Bedrucktes Gerüst auf Basis von Kompositfaserfarben zeigte jedoch gute mechanische Eigenschaften. Im Allgemeinen werden zusammengesetzte Tinten (natürliche und synthetische Polymere) unter Verwendung verschiedener Prinzipien und Verfahren gedruckt, d. H. Natürliche Polymere werden hauptsächlich auf der Basis von Gel oder Tinten gedruckt, wohingegen synthetische Polymere hauptsächlich durch Modellieren mit geschmolzener Abscheidung gedruckt werden. Daher sind für das Bedrucken von Verbundgerüsten auf Basis natürlicher und synthetischer Polymere in der Regel mehrere Düsen erforderlich, wobei jede Düse während der Verarbeitung genau ausgerichtet werden muss“, erläuterten die Forscher.

Sie setzten ihre Bemühungen fort, um die Einschränkungen bei der Schaffung starker, lebensfähiger Strukturen zu überwinden, indem Gelatine und PLGA in die Fasern eingebracht wurden. Auf diese Weise entstand ein mechanisch homogenes Verbundgerüst, das in einem einstufigen Verfahren mit einer Düse und Raumtemperatur hergestellt wurde.

„In der 3DP-Gruppe wurden regenerierter Knorpel (wie Beton) und Gerüststränge (wie Stahlstangen) gleichmäßig in die Probe integriert. Daher verbesserte der regenerierte Knorpel effizient die mechanische Festigkeit der Probe und behielt die ursprüngliche Form bei“ , folgerten die Forscher in Bezug auf die 3DP-Gruppe.
„Aufgrund der zusammengesetzten Tinten auf Faserbasis zeigte das 3DP im nassen Zustand eine gute Elastizität, die der eines 3D-gedruckten Gerüsts, das mit nicht fasrigen Pulvern hergestellt wurde, deutlich überlegen war. Am wichtigsten ist, dass das neuartige Gerüst in Kombination mit Chondrozyten eine zufriedenstellende Knorpelregeneration und Formerhaltung in vivo erreichte. Diese Studie liefert ein Forschungsmodell für das Design und die Herstellung mehrerer biomimetischer Gerüste.“