3D-Druckzellkulturen mit PulMA-Hydrogelen

Biomimetische Hydrogele bieten verschiedene Möglichkeiten für medizinische Anwendungen, so eine Gruppe von Forschern in einem Artikel mit dem Titel “Polysaccharide hydrogels for multiscale 3D printing of pullulan scaffolds”. Die Erzeugung synthetischer Mikroumgebungen simuliert jedoch die Auswirkungen natürlicher Gewebnischen auf Zellwachstum und Differenzierung erfordert neue Methoden zur Kontrolle der Hydrogelmerkmale, der Biofunktionalisierung und der mechanischen Eigenschaften. In der Arbeit zeigen die Forscher, wie dies durch den Einsatz eines 3D-druckfähigen Pullulan-basierten Hydrogels mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften erreicht werden kann.

Pullulan ist ein nichtionisches lineares Polysaccharid, das auf natürliche Weise aus Stärke hergestellt wird. Es hat viele Vorteile: Es ist biologisch abbaubar, essbar, bio- und blutverträglich, nicht toxisch, nicht immunogen, nicht mutagen und nicht krebserregend sowie leicht löslich in Wasser, was ein klares und viskoses Hydrogel ermöglicht vorbereitet sein. Es wurde als antiadhäsive Sperrschicht zur Verhinderung postoperativer Probleme vorgeschlagen und wird in der Kosmetik häufig eingesetzt. Es hat Anti-Radikal-Eigenschaften und wurde in Nanofasern oder Beschichtungen zur Lebensmittelkonservierung sowie in Anwendungen im Tissue Engineering und in der regenerativen Medizin eingesetzt.

“Wir argumentierten, dass Pullulan an seinen Hydroxylgruppen mit gewünschten chemischen Anteilen (zum Beispiel chemisch polymerisierbaren Gruppen) kundenspezifisch modifiziert werden kann, um 3D-vernetzte Strukturen mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften zu erzeugen”, stellen die Forscher fest. “Trotz dieser attraktiven chemischen Eigenschaften ist das Potenzial von Pullulan für die Erzeugung von Gerüsten oder Kultursystemen mit spezifischen 2D- und 3D-Formen und -Morphologien bisher noch unerforscht.”

Die Forscher synthetisierten methacrylierte Pullulan (PulMA) -Hydrogele, die durch lichtgestützte 3D-Drucktechniken mit mehreren Maßstäben gedruckt wurden. Mit Stereolithographie und Zwei-Photonen-Lithographie erzeugten sie 3D-Muster von Millimetern bis zu einigen Mikrometern sowie suspendierte Strukturen.

„Durch die weitere Entwicklung des Materials zu einer lichtempfindlichen Formulierung haben wir durch räumlich kontrollierte Bestrahlung (SL) komplexe 3D-Formen erstellt, wodurch die derzeitigen Einschränkungen bei der Strukturierung entlang der dritten Dimension überwunden wurden“, fahren sie fort. “Die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Steifigkeit, wurden durch die Zugabe eines bifunktionellen Vernetzers kontrolliert, mit dem der Elastizitätsmodul und die Wasserabsorption von PulMA-Hydrogelen eingestellt werden konnten.”

Zelllinien und mesenchymale Stammzellen (MSCs) wurden sowohl auf mikro- als auch auf makrometrischen 3D-Strukturen geimpft, um die biologische Reaktion zu testen. Tests haben gezeigt, dass die Zellen lebensfähig und metabolisch aktiv sind und nur in Gegenwart von Fibronektin oder Fibrinfunktionalisierung anhaften

„Da die Integration von Mustern mit mehreren Maßstäben in derselben Struktur einen wichtigen Fortschritt in den Bereichen Tissue Engineering und Regenerative Medizin darstellen kann und die Hydrogelherstellung mit diesen beiden unterschiedlichen Skalengrößen und Technologien nicht allgemein bekannt ist, bestätigt diese Studie, dass PulMA-Hydrogele ein hervorragendes Substrat sind Unterstützung der Zellkultur nach ordnungsgemäßer Funktionalisierung mit mechanischen Eigenschaften und Größen von 3D-Druckfunktionen“, schließen die Forscher. Auf der anderen Seite könnte die nichtklebende Eigenschaft von PulMA die Feinabstimmung der Klebeflächen und der Strukturierung einzelner Zellen und von Monoschichten sowohl in 2D als auch in 3D ermöglichen, wodurch sich für die Zelltechnik durch die Mikrofabrikation große Möglichkeiten ergeben. In Zukunft ist die Herstellung von SL und TPL in Gegenwart von vor eingebetteten Zellen mit PulMA möglicherweise bei keiner oder geringer Toxizität durch die Verwendung von sichtbarer und infraroter Strahlung möglich.”

Autoren des Papers sind G. Della Giustina, A. Gandin, L. Brigo, T. Panciera, S. Giulitti, P. Sgarbossa, Delfo D’Alessandro, Luisa Trombi, Serena Danti und G. Brusatin.