Forscher der Penn State University entwickeln körnige Hydrogel-Biotinte für die Zellintegration

Jeden Tag sterben in den Vereinigten Staaten 17 Menschen, die auf eine Organtransplantation warten, und alle neun Minuten kommt ein weiterer Mensch auf die Warteliste für ein Transplantat, so die Health Resources and Services Administration. Eine mögliche Lösung zur Behebung des Mangels ist die Entwicklung von Biomaterialien, die dreidimensional (3D) als komplexe Organformen gedruckt werden können und in der Lage sind, Zellen aufzunehmen und Gewebe zu bilden. Bisherige Versuche sind jedoch gescheitert, da die so genannten Hydrogel-Biotinten sich nicht richtig in den Körper integrieren und Zellen in dicken Gewebekonstruktionen nicht halten können.

Jetzt haben Forscher der Penn State University eine neuartige granulare Hydrogel-Biotinte entwickelt, die selbstorganisierende Nanopartikel und Hydrogel-Mikropartikel oder Mikrogele verwendet, um ein bisher unerreichtes Maß an Porosität, Formtreue und Zellintegration zu erreichen.

Das Team veröffentlichte seinen Ansatz in der Zeitschrift Small. Ihre Arbeit wird auf dem Titelblatt der Zeitschrift abgebildet sein.

“Wir haben eine neuartige körnige Hydrogel-Biotinte für das 3D-Extrusions-Bioprinting von mikroporösen Gerüsten für die Gewebezüchtung entwickelt”, sagte der korrespondierende Autor Amir Sheikhi, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen an der Penn State University, der einen Lehrauftrag für Biomedizintechnik hat. “Wir haben die bisherigen Einschränkungen beim 3D-Bioprinting von körnigen Hydrogelen überwunden, indem wir die Mikrogele mit Hilfe von Nanopartikeln, die sich selbst zusammensetzen, reversibel gebunden haben. Dies ermöglicht die Herstellung einer granularen Hydrogel-Biotinte mit gut erhaltener Mikroporosität, verbesserter Druckbarkeit und Formtreue.”

Bislang basieren die meisten Biotinten auf Bulk-Hydrogelen – Polymernetzwerken, die eine große Menge Wasser aufnehmen können und dabei ihre Struktur beibehalten – mit nanoskaligen Poren, die die Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen sowie den Sauerstoff- und Nährstofftransfer einschränken. Außerdem müssen sie abgebaut und/oder umgestaltet werden, um die Infiltration und Migration von Zellen zu ermöglichen, was die Integration von Biotinte und Gewebe verzögert oder verhindert.

“Die größte Einschränkung beim 3D-Biodruck mit herkömmlichen Hydrogel-Biotinten ist der Kompromiss zwischen Formtreue und Lebensfähigkeit der Zellen, der durch die Steifigkeit und Porosität des Hydrogels bestimmt wird”, so Sheikhi. “Eine Erhöhung der Steifigkeit des Hydrogels verbessert die Formtreue des Konstrukts, verringert aber auch die Porosität, was die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigt.

Um dieses Problem zu überwinden, begannen Wissenschaftler auf diesem Gebiet mit der Verwendung von Mikrogelen für den Aufbau von Tissue-Engineering-Gerüsten. Im Gegensatz zu Bulk-Hydrogelen konnten diese körnigen Hydrogelgerüste 3D-Konstrukte in situ bilden, die Porosität der geschaffenen Strukturen regulieren und die Steifigkeit von Hydrogelen von der Porosität entkoppeln.

Die Lebensfähigkeit und Migration von Zellen blieb jedoch ein Problem, so Sheikhi. Um die positiven Eigenschaften während des 3D-Druckverfahrens zu erreichen, müssen die körnigen Hydrogele dicht gepackt werden, was den Raum zwischen den Mikrogelen beeinträchtigt und sich negativ auf die Porosität auswirkt, was wiederum negative Auswirkungen auf die Lebensfähigkeit und Beweglichkeit der Zellen hat.

Der Ansatz der Penn State-Forscher löst das Problem des “Verklemmens”, ohne die positiven Eigenschaften der körnigen Hydrogele zu beeinträchtigen, indem sie die Klebrigkeit der Mikrogele aneinander erhöhen. Die Mikrogele haften aneinander, so dass eine enge Packung nicht mehr erforderlich ist. Dies ist das Ergebnis der Grenzflächen-Selbstorganisation von Nanopartikeln, die an den Mikrogelen adsorbiert sind und die mikroskaligen Poren erhalten.

“Unsere Arbeit basiert auf der Prämisse, dass Nanopartikel an polymere Mikrogeloberflächen adsorbieren und die Mikrogele reversibel aneinander haften können, ohne die Poren zwischen den Mikrogelen zu füllen”, so Sheikhi. “Der reversible Adhäsionsmechanismus basiert auf heterogen geladenen Nanopartikeln, die lose gepackten Mikrogelen eine dynamische Bindung verleihen können. Solche dynamischen Bindungen können sich bei der Freisetzung oder der Ausübung von Scherkräften bilden oder aufbrechen und ermöglichen die 3D-Bioprintfähigkeit von Mikrogelsuspensionen, ohne dass diese dicht gepackt werden müssen.”

Die Forscher sagen, dass diese Technologie auf andere granulare Plattformen aus synthetischen, natürlichen oder hybriden polymeren Mikrogelen ausgeweitet werden kann, die mit ähnlichen Nanopartikeln oder anderen physikalischen und/oder chemischen Methoden, wie ladungsinduzierter reversibler Bindung, Wirt-Gast-Wechselwirkungen oder dynamischen kovalenten Bindungen, zusammengefügt werden können.

Laut Sheikhi wollen die Forscher untersuchen, wie die nanotechnologisch hergestellte granulare Biotinte für die Gewebezüchtung und -regeneration, Organ-/Gewebe-/Krankheitsmodelle auf einem Chip und das In-situ-3D-Bioprinting von Organen eingesetzt werden könnte.

“Indem wir eine der anhaltenden Herausforderungen beim 3D-Bioprinting von granularen Hydrogelen angehen, könnte unsere Arbeit neue Wege für das Tissue Engineering und den Druck von funktionellen Organen eröffnen”, sagte Sheikhi.

Advanced Materials hat Sheikhi für diesen Artikel zum Rising Star ernannt. Mit der Rising Star-Reihe soll “die Vielfalt der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaften gewürdigt werden, denen [die Zeitschriften Advanced Science, Advanced Materials, Advanced Healthcare Materials und Small] dienen, indem herausragende Forschungsartikel zu Studien gesammelt werden, die von anerkannten Nachwuchsforschern aus der ganzen Welt konzipiert und betreut werden”, heißt es auf der Website der Zeitschrift.

Die anderen Autoren der Studie sind die Doktoranden Zaman Ataie und Sina Kheirabadi aus dem Fachbereich Chemieingenieurwesen, die Studenten Rhea Jiang und Carter Petrosky aus dem Fachbereich Chemieingenieurwesen, Christian Vollberg aus dem Fachbereich Maschinenbau und Biomedizintechnik, Jenna Wanjing Zhang aus dem Fachbereich Maschinenbau und Alexander Kedzierski aus dem Fachbereich Biomedizintechnik.

Das Penn State Living Multifunctional Materials Collaborative Research Seed Grant Program und das Penn State Material Research Institute sowie das College of Engineering’s Materials Matter at the Human Level Seed Grants haben diese Forschung teilweise finanziert.

Die vollständige Studie finden Sie hier.

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