Ein Forscherteam von der Yokohama National University hat eine neue Methode zur Herstellung komplexer 3D-Strukturen entwickelt, die die Mikrostruktur von Knochen nachahmen. Durch die Kombination von Laser-3D-Drucktechnologie und einem alternierenden Tauchprozess gelang es erstmals, 3D-Zellkultursysteme zu entwickeln, die für Knochenimplantate oder die Schaffung künstlichen Knochenmarks genutzt werden können.
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden kürzlich im Journal ACS Biomaterials Science & Engineering unter dem Titel „Microfabrication of Gelatin Methacrylate/Hydroxyapatite Composites by Utilizing Alternate Soaking Process“ veröffentlicht und zierten das Cover der Ausgabe vom 12. Februar 2024.
Fortschritte im 3D-Druck für die Knochenregeneration
Knochen bestehen aus einer Kombination organischer und anorganischer Substanzen, hauptsächlich Kollagenfasern und einem anorganischen Mineral namens Hydroxylapatit (HAp). Diese Materialien formen eine hierarchische Struktur, die den kortikalen Knochen – die starke äußere Schicht der langen Knochen – mit hervorragender mechanischer Festigkeit und Zähigkeit versieht. Knochenmarknischen, die Mikrostrukturen im Knochenmark, regulieren die hämatopoetischen Stammzellen, die sich in alle Blutzelltypen entwickeln können. Die genaue Funktionsweise dieser Nischen ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.
Die Transplantation von hämatopoetischen Stammzellen bietet einen möglichen Ansatz zur Behandlung von Leukämie, Lymphomen und Immunstörungen. Die Herausforderung besteht jedoch darin, diese Stammzellen außerhalb des Körpers zu vermehren. Hier bietet die Schaffung eines Transplantationsmodells, das die Umgebung des Knochenmarks nachahmt, eine potenzielle Lösung, indem es die Vermehrung der Stammzellen in vitro ermöglicht.
Ein Durchbruch in der biomimetischen Materialforschung
Frühere Forschungen haben bereits HAp-basierte Biomaterialien entwickelt, die die Mikrostruktur von Knochen nachahmen. Die Herausforderung bestand jedoch darin, 3D-organisch-anorganische Verbundmaterialien mit präziser Struktur mittels Laser-3D-Druck zu fertigen. Das Team um Kazutoshi Iijima von der Yokohama National University in Japan wählte eine Fertigungsmethode, die Laser-Scanning-Stereolithographie mit einem alternierenden Tauchprozess kombiniert. Diese Methode ermöglichte die Konstruktion von mikrometergroßen Hydrogelmodellen aus polymerisiertem Gelatinmethacrylat, einem biokompatiblen, vernetzbaren Polymer, das in der Bioprinting-Technologie verwendet wird, und modifizierte diese Modelle mit HAp.
Sie entwarfen und fertigten einfache, linienförmige Modelle sowie ein pyramidenförmiges Modell mit komplexer Struktur. Diese Modelle konnten mit HAp modifiziert werden, ohne die durch die Stereolithographie geschaffene Mikrostruktur zu verändern. Die Forschenden konnten die Dicke der HAp-Schicht durch Anpassung der Bedingungen des alternierenden Tauchprozesses steuern und untersuchten den Mechanismus der HAp-Bildung in den Hydrogelen.
Ausblick auf die regenerative Medizin
Die Hoffnung ist, dass diese Technologie zur Entwicklung von Knochen- und Knochenmarkmodellen führen wird, die zur Regeneration von Knochengewebe und zur Expansion hämatopoetischer Stammzellen beitragen können. Das Team, bestehend aus Kaori Kojima, Hiroki Touji, Kodai Onodera, Masaru Mukai, Shoji Maruo und Kazutoshi Iijima von der Yokohama National University, sieht in dieser Methode großes Potenzial für die regenerative Medizin.