Ultraschall richtet lebende Zellen in bioprintierten Geweben aus

Forscher der North Carolina State University haben eine Technik entwickelt, um die Eigenschaften von technisch hergestellten Geweben zu verbessern, indem lebende Zellen mit Ultraschall während des Biofabrikationsprozesses ausgerichtet werden.

“Wir sind an einem Punkt angelangt, an dem wir medizinische Produkte wie Knieimplantate herstellen können, indem wir lebende Zellen bedrucken”, sagt Rohan Shirwaiker, korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit und Associate Professor bei Edward P. Fitts im US-Bundesstaat North Carolina Abteilung für Industrie- und Systemtechnik. „Eine Herausforderung bestand jedoch darin, die zu druckenden Zellen so zu organisieren, dass das manipulierte Gewebe natürlicherer Gewebe ähnelt.”

„Wir haben jetzt eine Technik entwickelt, die ultraschallgestützte Biofabrikation (ultrasound-assisted biofabrication UAB), die es uns ermöglicht, Zellen während des Bioprinting-Prozesses in einer dreidimensionalen Matrix auszurichten. Auf diese Weise können wir beispielsweise einen Knie-Meniskus erstellen, der dem ursprünglichen Meniskus eines Patienten ähnlicher ist. Bis heute konnten wir die Zellen für eine Reihe von konstruierten Muskel-Skelett-Geweben ausrichten.”

Um die Zellen auszurichten, bauten die Forscher eine Ultraschallkammer, in der Ultraschallwellen über den Bereich wandern können, in dem ein Bioprinter lebende Zellen druckt. Diese Ultraschallwellen wandern in eine Richtung und werden dann zu ihrer Quelle zurück reflektiert, wodurch eine „stehende Ultraschallwelle“ entsteht. Die Schallwellen ordnen die Zellen effektiv in Reihen an, die sich an den Bereichen ausrichten, an denen sich die Ultraschallwellen und die reflektierten Wellen kreuzen.

“Wir können die Ausrichtungseigenschaften der Zellen steuern, indem wir die Parameter des Ultraschalls wie Frequenz und Amplitude steuern”, sagt Shirwaiker.

Um die Durchführbarkeit der UAB-Technik zu demonstrieren, erstellten die Forscher einen Knie-Meniskus, bei dem die Zellen in einem halbmondförmigen Bogen angeordnet sind – genau wie bei einem natürlichen Meniskus.

„Wir konnten die Ausrichtung der Zellen beim Drucken Schicht für Schicht im gesamten Gewebe kontrollieren“, sagt Shirwaiker. “Wir haben auch die Fähigkeit gezeigt, Zellen auf eine Weise auszurichten, die für andere orthopädische Weichgewebe, wie Bänder und Sehnen, besonders wichtig ist.”

Die Forscher fanden auch heraus, dass einige Kombinationen von Ultraschallparametern zum Zelltod führten.

„Dies ist wichtig, weil wir damit ein klares Verständnis dafür haben, was wir tun können, um die Leistung des Gewebes zu verbessern, und was wir vermeiden müssen, um lebende Zellen zu erhalten“, sagt Shirwaiker.

Zu diesem Zweck haben die Forscher Rechenmodelle entwickelt, mit denen Benutzer die Leistung eines bestimmten Parametersatzes vor dem Beginn des Biofabrikationsprozesses vorhersagen können.

Ein weiterer Vorteil der UAB-Technik ist, dass sie relativ kostengünstig ist.

“Es fallen einmalige Kosten für die Einrichtung der Ultraschallgeräte an, die Standardtechnologie verwenden können”, sagt Shirwaiker. „Danach sind die Betriebskosten für die Ultraschallkomponenten vernachlässigbar. Die UAB-Technik kann in Verbindung mit den meisten vorhandenen Bioprinting-Technologien verwendet werden.

„Wir haben ein Patent für die UAB-Technik angemeldet und suchen nun nach Industriepartnern, die uns bei der Erforschung der Vermarktung unterstützen“, sagt Shirwaiker.

Das Paper „Ultrasound-assisted biofabrication and bioprinting of preferentially aligned three-dimensional cellular constructs“ wird in der Fachzeitschrift Biofabrication veröffentlicht. Erster Autor der Zeitung ist Parth Chansoria, ein Ph.D. Student und Provost Doctoral Fellow am Staat NC. Die Arbeit wurde von Lokesh Karthik Narayanan und Karl Schuchard, die promovierte, gemeinsam verfasst. Studenten an der NC State.