3D-geprinte suikersteigers mogelijk doorbraak voor bioprinting

Een van de moeilijkste onderdelen van 3D-bioprinting is het ontwikkelen van steigers waarop 3D-geprint weefsel kan worden gemaakt, maar ingenieurs van de Universiteit van Illinois hebben een materiaal ontdekt dat zich uitstekend leent voor het maken van 3D-geprinte steigers: suiker, met name isomalt. Isomalt is een type suikeralcohol dat wordt gebruikt om keelpastilles te maken. Het in water oplosbare, biologisch afbreekbare isomalt kan worden 3D-geprint met behulp van een techniek genaamd 3D-printen in vrije vorm, die in essentie in de lucht tekent: de suiker hardt uit als de lucht de lucht raakt, waardoor deze zijn structuur kan vasthouden zonder een andere laag er onmiddellijk onder. Dit stelt de ingenieurs in staat om delicate netwerken van filamenten te printen in plaats van vaste objecten.

“Suikersteigers zijn een geweldige manier om vormen te creëren waarrond we zachte materialen kunnen modelleren of cellen en weefsels kunnen laten groeien, waarna de steiger oplost”, zegt Rohit Bhargava, professor biotechnologie en directeur van het kankercentrum aan de universiteit van Illinois. “Een mogelijke toepassing is bijvoorbeeld het kweken van weefsel of het bestuderen van tumoren in het laboratorium. Celkweken worden meestal gedaan op platte schotels. Dat geeft ons een aantal kenmerken van de cellen, maar het is geen erg dynamische manier om te kijken naar hoe een systeem eigenlijk in het lichaam functioneert. In het lichaam zijn er goed gedefinieerde vormen en zijn vorm en functie nauw verwant.”

Suiker is al eerder 3D-geprint, maar het is gevoelig voor verbranden of kristalliseren. Isomalt heeft daar minder last van. De onderzoekers bouwden een speciale 3D-printer die de juiste temperatuur, spuitmonddruk en -diameter en snelheid had om het materiaal soepel te 3D-printen.

“Na de materialen en de mechanica, was de derde component die om de hoek kwam kijken, informatica,” vertelt Matthew Gelber. “Je hebt een ontwerp van iets dat je wilt maken; hoe vertel je de printer om het te maken? Hoe kom je achter de volgorde om al deze kruisende filamenten te printen, zodat het niet instort?”

De onderzoekers van de University of Illinois werkten samen met Greg Hurst van Wolfram Research om een ​​algoritme te ontwikkelen voor het ontwerpen van suikersteigers en het in kaart brengen van printroutes.

Een voordeel van 3D-geprinte structuren in vrije vorm is dat ze dunne buisjes met cirkelvormige dwarsdoorsneden kunnen maken, wat niet mogelijk is met conventionele 3D-prints. Wanneer de suiker oplost, laat het achter aangesloten cilindrische buizen en tunnels achter die kunnen werken als bloedvaten, voedingsstoffen in weefsel transporteren of kanalen creëren in microfluïdische apparaten. Bovendien kunnen de mechanische eigenschappen van elk deel van het object nauwkeurig worden geregeld door kleine wijzigingen in de 3D-printerparameters aan te brengen.

“We hebben bijvoorbeeld een konijn geprint. We zouden in principe de mechanische eigenschappen van de staart van het konijn kunnen veranderen om anders te zijn dan de achterkant van het konijn, en die ook weer anders laten zijn dan de oren, “zei Bhargava. “Dit is biologisch erg belangrijk.”

Bhargava en zijn groep gebruiken de suikerstaffels in verschillende microfluïdische apparaten en celculturen en werken aan een coating voor de steigers om te bepalen hoe snel ze oplossen.

“Deze printer is een voorbeeld van engineering met langetermijnimplicaties voor biologisch onderzoek”, zei Bhargava. “Dit is een fundamentele techniek die samenkomt met materiaalwetenschap en computerwetenschappen om een ​​nuttig hulpmiddel te maken voor biomedische toepassingen.”