Mikro-3D-gedruckte Hydrowells ermöglichen Zellkulturen in der Mikrogravitation
Forscher des Buchmann-Instituts für Molekulare Biowissenschaften an der Goethe-Universität in Frankfurt am Main haben den microArch S140, einen mikroskaligen 3D-Drucker von Boston Micro Fabrication (BMF), eingesetzt, um miniaturisierte Gefäße, sogenannte Hydrowells, für die Kultivierung von 3D-Zellsphäroiden unter Mikrogravitationsbedingungen herzustellen. Die Arbeit war Teil des SHAPE-Experiments (Spheroid Aggregation and Viability in Space), das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt wird und an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt wird, wo in einer niedrigen Erdumlaufbahn wissenschaftliche Forschung betrieben wird.
Maßgeschneiderte Hydrogel-Wellplates oder Hydrowells werden aus Agarose, einem Polysaccharid, hergestellt. Hydrowells werden anstelle von Kunststoff- oder Glasgefäßen zur Aufnahme von Sphäroiden in der Mikrogravitation verwendet. Zelluläre Sphäroide sind dreidimensionale Gewebemodelle, die sich besonders für Anwendungen wie die regenerative Medizin und die Krebsforschung eignen.
Die nicht haftenden Hydrowell-Kompartimente erleichtern den Medienaustausch durch einfache Diffusion und bieten eine vollständig biokompatible Umgebung. Sphäroide, 3D-Zellkulturen, die in einzelnen Hydrowells in Suspension gezüchtet werden, ordnen sich zu kugelartigen Gebilden an. Hydrowells verhindern, dass einzelne Sphäroide zu unkontrollierten Größen aggregieren.
Das SHAPE-Mikrogravitationsexperiment, an dem das Buchmann-Institut für Molekulare Biowissenschaften beteiligt war, erforderte speziell entworfene Hydrowells mit einem trichterförmigen Eingang, einem zylindrischen Querschnitt und einem Bodenabschnitt, der entweder U-förmig, konisch oder abgestumpft war. Die Form dieses Bodenteils erleichtert die Sphäroidbildung und die langfristige Zellkultivierung. Die Hydrowells wurden aus gewölbten Positiv-Formen hergestellt. Für die Herstellung der Formen wurde der mikroskalige 3D-Druck gewählt, weil damit eine hohe Auflösung erreicht, glatte Oberflächen erzeugt, Hochleistungsmaterialien verwendet und eine schnelle Entwicklung unterstützt werden können.
Mikroskaliger 3D-Druck mit BMF
Der verwendete mikroskalige Drucker von BMF, der microArch S140, hat eine optische Auflösung von 10 µm und kann Teile mit einer Oberflächengüte von 0,4-0,9 µm Ra (oben) und 1,5-2,5 µm Ra (Seite) herstellen. Die dem S140 zugrundeliegende Technologie, die Projektions-Mikrostereolithografie (PµSL), bietet einen Grad an Glätte und Präzision, der den von Standard-Stereolithografie-Druckern (SLA) mit einer Auflösung von ~25-50 µm bei weitem übertrifft. Die ultrahochauflösenden Geräte von BMF verwenden lichtempfindliche Harze in Ingenieurqualität und drucken Schichtdicken von 10 µm bis 40 µm. BMF unterstützt auch ein offenes Materialsystem.
BMF HT200, das Material, das für die Herstellung der Positivformen verwendet wurde, hält hohen Temperaturen von bis zu 200° C stand und verbindet hohe Festigkeit mit Langlebigkeit. Die Beständigkeit dieses Harzes gegenüber hohen Temperaturen und hohem Druck unterstützte seine Verwendung beim Autoklavieren, einer Form der Sterilisation, um eine bakterielle Kontamination der Hydrowells zu vermeiden. Die Definition der Schichten blieb nach dem Autoklavieren erhalten, und es wurde keine Verformung oder Delaminierung beobachtet. Darüber hinaus sorgten die thermischen und mechanischen Eigenschaften dieses 3D-gedruckten Materials für eine hervorragende und gleichbleibende Qualität des Endprodukts.