Der Bedarf an Organen zur Transplantation ist weltweit sehr groß, jedoch gibt es viel zu wenige Organe die von Spendern zur Verfügung gestellt werden. Forscher der Penn State University haben jetzt eine neuartige Biotinte entwickelt, die für die Gewebezüchtung und -Regeneration eingesetzt werden soll. Die Biotinte soll ein bisher unerreichtes Maß an Porosität, Formtreue und Zellintegration erreicht haben. Wir stellen sie vor.

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Alle 9 Minuten werden Patienten auf eine Liste für eine Organtransplantation gesetzt. Der Mangel an Organen ist groß. Forscher der Pennsylvania State University (PennState) haben eine neuartige mit Nanotechnologie hergestellte körnige Hydrogel-Biotinte entwickelt, die selbst organisierende Nanopartikel und Hydrogel-Mikropartikel oder Mikrogele nutzt. Solche Biomaterialien könnten in komplexe Organformen mit einem Bio-3D-Drucker gebracht werden und in der Lage sein, Zellen zu beherbergen und Gewebe zu bilden. Bisherige Versuche sind jedoch gescheitert.

Bulk-Hydrogel-Bioinks können sich nicht richtig in den Körper integrieren und Zellen in dicken Gewebekonstrukten unterstützen. Das Team der Penn State erklärt, dass seine Biotinte ein bisher unerreichtes Maß an Porosität, Formtreue und Zellintegration erreicht.

Autor Amir Sheikhi, Penn State Assistant Professor of Chemical Engineering, sagte:

„Wir haben eine neuartige körnige Hydrogel-Biotinte für den 3D-Extrusions-Biodruck von mikroporösen Gerüsten aus Gewebezüchtung entwickelt. Wir haben die bisherigen Einschränkungen des 3D-Biodrucks von körnigen Hydrogelen überwunden, indem wir die Mikrogele mithilfe von selbstorganisierenden Nanopartikeln reversibel binden. Dies ermöglicht die Herstellung von körniger Hydrogel-Biotinte mit gut erhaltener Mikroporosität, verbesserter Druckbarkeit und Formtreue.“

Forschung mit Biotinten

Nittany Lion-Logo
Die Forscher der Penn State entwickeln eine Biotinte, die für die Gewebezüchtung geeignet sein soll (im Bild: Nittany Lion-Logo aus Biotinte)(Bild © Amir Scheichi).

Biotinten basierten bisher auf Massenhydrogelen, die viel Wasser halten und die Struktur beibehalten können. Die darin enthaltenen nanoskaligen Poren könnten die Zell-Zell- und Zell-Matrix-Wechselwirkungen sowie den Sauerstoff- und Nährstofftransfer begrenzen. Die Polymernetzwerke erforderten auch einen Abbau und/oder Umbau, um die Zellinfiltration und -Migration zu ermöglichen, wodurch die Integration von Biotinte und Gewebe verzögert oder gehemmt wurde.

Sheikhi sagte:

„Die Haupteinschränkung des 3D-Biodrucks mit konventionellen Hydrogel-Biotinten ist der Kompromiss zwischen Formtreue und Zelllebensfähigkeit, der durch die Steifigkeit und Porosität des Hydrogels reguliert wird. Die Erhöhung der Steifigkeit des Hydrogels verbessert die Formtreue des Konstrukts, verringert aber auch die Porosität, wodurch die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigt wird.“

Klebrigkeit von Mikrogelen erhöhen

Die Forscher der Penn State behielten die positiven Eigenschaften von körnigen Hydrogelen bei, indem sie die Klebrigkeit von Mikrogelen aneinander erhöhten. Die Mikrogele haften aneinander, weshalb die Notwendigkeit einer dichten Packung beseitigt wird, als Ergebnis der Grenzflächen-Selbstorganisation von Nanopartikeln, die an Mikrogelen adsorbiert sind und Poren im Mikromaßstab bewahren.

Sheiki sagte:

„Der reversible Adhäsionsmechanismus basiert auf heterogen geladenen Nanopartikeln, die locker gepackten Mikrogelen eine dynamische Bindung verleihen können. Solche dynamischen Bindungen können sich bei Freisetzung oder Ausübung von Scherkräften bilden oder aufbrechen, was die 3D-Biodruckbarkeit von Mikrogelsuspensionen ermöglicht, ohne sie dicht zu packen.“

Die Forscher wollen Wege finden, ihre Biotinte weiter für die Gewebezüchtung und -Regeneration, Organmodelle und in situ 3D-Bioprinting von Organen anzuwenden. 3D Systems übernimmt Volumetric Biotechnologies und will den Bio-3D-Druck von Organen ebenfalls voranbringen. Über die weitere Entwicklung berichten wir im 3D-grenzenlos Magazin (Newsletter abonnieren).

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