3D-Bioprinting von lebenden Strukturen mit eingebauten chemischen Sensoren

Eine neue Methode ermöglicht die nicht-invasive Überwachung des Sauerstoffmetabolismus in Zellen, die in komplexen lebenden Strukturen dreidimensional dargestellt werden. Dies hat große Auswirkungen auf Untersuchungen des Zellwachstums und der Wechselwirkungen, z.B. unter gewebeähnlichen Bedingungen, sowie für das Design von 3D-gedruckten Konstrukten. Diese erleichtern eine höhere Produktivität von Mikroalgen in Biofilmen oder eine bessere Sauerstoffversorgung für Stammzellen, die bei Knochen- und Gewebewiederaufbau verwendet werden.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Professor Michael Kühl vom Department of Biology der Universität Kopenhagen hat soeben einen Durchbruch beim 3D-Bioprinting veröffentlicht. Zusammen mit deutschen Kollegen der Technischen Universität Dresden (Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichteilforschung) hat die Gruppe um Professor Kühls sauerstoffempfindliche Nanopartikel in ein Gelmaterial eingebaut, das für den 3D-Druck komplexer, biofilm- und gewebeähnlicher Strukturen, lebende Zellen sowie eingebaute chemische Sensoren genutzt werden kann. Die Arbeit wurde gerade in der führenden Zeitschrift für Materialwissenschaften, Advanced Functional Materials, veröffentlicht.

Kühl erklärt: “Der 3D-Druck ist eine weit verbreitete Technik zur Herstellung von Objekten aus Kunststoff, Metall und anderen abiotischen Materialien. Gleichermaßen können lebende Zellen in biokompatiblen Gelmaterialien (Biotinten) 3D-gedruckt werden, und ein solches 3D-Bioprinting ist ein sich schnell entwickelndes Gebiet, z.B. in biomedizinischen Studien, wo Stammzellen in 3D-gedruckten Konstrukten kultiviert werden, die die komplexe Struktur von Gewebe und Knochen nachahmen. Bei diesen Versuchen fehlt es an einer Online-Überwachung der metabolischen Aktivität von Zellen, die in bioprintierten Konstrukten wachsen. Derzeit beruhen solche Messungen weitgehend auf destruktiven Probenahmen. Wir haben eine zum Patent angemeldete Lösung für dieses Problem entwickelt.”

Die Arbeitsgruppe entwickelte eine funktionalisierte Biotinte, indem sie lumineszierende sauerstoffempfindliche Nanopartikel in die Druckmatrix einführte. Wenn blaues Licht die Nanopartikel anregt, emittieren sie rotes Lumineszenzlicht proportional zur lokalen Sauerstoffkonzentration – je mehr Sauerstoff, desto weniger rote Lumineszenz. Die Verteilung von roter Lumineszenz und damit Sauerstoff über biologisch gedruckte lebende Strukturen kann mit einem Kamerasystem abgebildet werden. Dies ermöglicht eine on-line, nicht-invasive Überwachung der Sauerstoffverteilung und -dynamik, die auf das Wachstum und die Verteilung von Zellen in den 3D-Bioprints ohne zerstörende Probenahme abgebildet werden kann.

Kühl fährt fort: “Es ist wichtig, dass die Zugabe von Nanopartikeln die mechanischen Eigenschaften der Biotinte, z.B. um Zellstress und Tod während des Druckprozesses zu vermeiden. Darüber hinaus sollten die Nanopartikel die Zellen nicht hemmen oder stören. Wir haben diese Herausforderungen gelöst, da unsere Methode eine gute Biokompatibilität aufweist und sowohl mit Mikroalgen als auch mit empfindlichen menschlichen Zelllinien verwendet werden kann.”

Die kürzlich veröffentlichte Studie zeigt, wie mit Sensor-Nanopartikeln funktionalisierte Biotinten kalibriert und z. zur Überwachung der Algen Photosynthese und Atmung sowie Stammzellrespiration in biogedruckten Strukturen mit einem oder mehreren Zelltypen.

3D-Bioprinting mit einem funktionalisierten Bioink, der sauerstoffempfindliche Nanopartikel enthält.

“Dies ist ein Durchbruch im 3D-Bioprinting. Es ist nun möglich, den Sauerstoffmetabolismus und die Mikroumgebung von Zellen on-line und nicht-invasiv in intakten 3D-gedruckten lebenden Strukturen zu überwachen”, sagt Prof. Kühl. “Eine zentrale Herausforderung beim Wachstum von Stammzellen in größeren gewebe- oder knochenähnlichen Strukturen ist die Sicherstellung einer ausreichenden Sauerstoffversorgung der Zellen. Mit unserer Entwicklung ist es nun möglich, die Sauerstoffbedingungen in 3D-Bioprintstrukturen zu visualisieren, die z.B. ermöglicht das schnelle Testen und Optimieren des Stammzellwachstums in unterschiedlich konstruierten Konstrukten.”

Das Team ist sehr daran interessiert, neue Kooperationen und Anwendungen ihrer Entwicklungen zu erforschen.

Kühl endet: “3D-Bioprinting mit funktionalisierten Bioinks ist eine neue leistungsfähige Technologie, die in vielen anderen Forschungsbereichen als der Biomedizin Anwendung finden kann. Es ist z.B. äußerst inspirierend, solch fortschrittliche Materialwissenschaft und Sensortechnologie mit meiner Forschung in Mikrobiologie und Biophotonik zu kombinieren, wo wir derzeit 3D-Bioprinting einsetzen, um mikrobielle Interaktionen und Photobiologie zu untersuchen.”