Rice University: 3D-Druck von Blutgefäßen mit Zucker

Forscher der Rice University haben eine neue Methode entwickelt, um mit Hilfe des 3D-Drucks künstliche Gefäßnetze aus Puderzucker herzustellen.

Das Team ersetzte traditionelle Produktionsmethoden durch den 3D-Druck mit selektivem Lasersintern (SLS) und erstellte aus lasergesinterten Kohlenhydratpulvern Schablonen (“sacrificial templating”). Diese Konstruktionen auf Zuckerbasis ermöglichen es, zellbeladene Hydrogele mit dendritischen Gefäßnetzwerken zu strukturieren, ohne dass Trägermaterialien verwendet werden muss. Die neu entwickelte Technik könnte die Geschwindigkeit und den Umfang der Biomaterialproduktion verbessern.

Der Stoffwechsel im menschlichen Gewebe wird durch die Zufuhr von Sauerstoff und Nährstoffen sowie die Abfuhr von Abfallstoffen über komplexe 3D-Netzwerke von Blutgefäßen aufrechterhalten. Das Verständnis der Gefässsysteme ist für die Entwicklung von 3D-gedruckten Geweben wesentlich. Nach Ansicht des Forschungsteams müssen diese Gewebe mit biokompatiblen Matrizen unterstützt werden, um zu überleben und den Gewebewirt mit den erforderlichen Nährstoffen zu versorgen.

In früheren Studien wurden weiche Lithographie- und Nadelformverfahren zur Herstellung dieser Matrizen verwendet, aber die Fortschritte beim 3D-Druck haben dazu geführt, dass zunehmend Methoden wie Direktextrusion und tintenstrahlerzeugte Polymere eingesetzt werden. In anderen Forschungsarbeiten wurde Licht zur Erzeugung ausgeklügelter Mikrokanalarchitekturen genutzt, aber das “sacrificial templating” hat sich als die vorherrschende und am weitesten verbreitete Methode herauskristallisiert.

Bei dieser Technik wird eine temporäre Gelantine in Form des gewünschten Gefäßnetzes hergestellt, in der Zellen eingeschlossen und dann selektiv entfernt werden. Während extrusionsbasierte 3D-Drucktechniken zu einer verstärkten Anwendung dieser Methode geführt haben, sind die Merkmale und die Komplexität dieser Schablonennetzwerke begrenzt geblieben.

Infolgedessen unterliegen die mit Extrusionsverfahren gedruckten Gefäßsysteme häufig einer Verformung oder einem Zusammenbruch unter ihrem Eigengewicht, und ihre Viskosität und Oberflächenspannung erschweren die präzise Dosierung kleiner Mengen. Darüber hinaus kann das Drucken der Zellen mit Trägermaterialien diese Probleme mildern, allerdings auf Kosten längerer Druckzeiten und zusätzlicher Nachbearbeitungsschritte, die mit zunehmender Komplexität der Gefäße immer schwieriger werden.

Beim SLS-3D-Druck wird unterdessen ein vollständig unterstütztes und pulverbasiertes Bauvolumen verwendet, das die Herstellung von Objekten mit komplizierten Überhängen und nicht unterstützten Geometrien ermöglicht.

Das Forscherteam stellte die Hypothese auf, dass die Verwendung des SLS-3D-Drucks zur Herstellung der Materialien anstelle von Extrusionstechniken es ermöglichen könnte, Gefäßnetzwerke in Hydrogelen in Gegenwart von zerbrechlichen menschlichen Zellen leicht zu strukturieren. Durch die Herstellung extensiv verzweigter Kohlenhydrat-Filamentnetzwerke mittels SLS und deren opferbereite Anwendung auf volumetrische Gefäßnetzwerke mit Muster, wollte das Team einen schnelleren und stabileren Bioprinting-Prozess schaffen.

Isomalt, ein in zuckerfreien Lutschtabletten häufig verwendeter Zuckeralkohol, erwies sich als kompatibel mit SLS, und das Team entwickelte einen Arbeitsablauf für die automatisierte Herstellung von 3D-Strukturen aus Isomaltpulver. Es wäre zwar möglich gewesen, eine einzige Schicht aus reinem Isomalt zu sintern, aber aufgrund der starken Kohäsion und der relativ schlechten Fließfähigkeit des Pulvers war es schlecht geeignet, sich je nach Bedarf in glatte, dünne Schichten zu verteilen. Durch weiteres Mischen des Pulvers mit Maisstärke konnte das Fließverhalten des Pulvers wirksam verbessert und gleichzeitig die Sinterqualität erhalten werden. Unter Verwendung dieser Zubereitung stellte das Forschungsteam erfolgreich Strukturen mit 3D-Verzweigungen und freitragender Geometrie her.

Beginnend mit der Modellierung einer einfachen verzweigten Architektur, gossen die Forscher eine Reihe von Elastomeren, steifen Kunststoffen und Hydrogelen um nachbearbeitete Kohlenhydrate. Während des Prozesses wurde das Hydrogel innerhalb von Minuten halbfest, und die ursprüngliche Schablone wurde dann geopfert, indem sie in Wasser oder phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) aufgelöst wurde. In jedem Fall zeigte die Perfusion durch das gemusterte Kanalnetz die Kanaldurchgängigkeit und die Konnektivität der verzweigten Filamente. Trotz der Opazität der gesinterten Kohlenhydrate wurden Polyethylenglykol- und Diacrylatgele erfolgreich durch Lichteinfall aus verschiedenen Winkeln polymerisiert, was die Methodik des Teams demonstrierte.

Darüber hinaus haben die Forscher eine neu entwickelte Iteration von OpenSLS-Hard- und Firmware entwickelt, den Prozess für Kohlenhydrat-SLS optimiert und eine aktualisierte Software-Toolchain zur Erstellung von 3D-Modellen verwendet. Durch Bearbeitung der Multi-Extruder-Fähigkeiten einer Open-Source-Schneidesoftware, die für Extrusions-3D-Drucker entwickelt wurde, konnte das Team spezifische Sinterparameter kodieren und so die Endgeometrie des Modells fein abstimmen.

Die kompletten Forschungsarbeiten wurden in der Zeitschrift Nature Biomedical Engineering unter dem Titel “Generation of model tissues with dendritic vascular networks via sacrificial laser-sintered carbohydrate templates” veröffentlicht.