Ultraschall richtet lebende Zellen in Bioprint-Gewebe aus
Forscher der North Carolina State University haben eine Technik entwickelt, um die Eigenschaften von technisiertem Gewebe zu verbessern, indem sie lebende Zellen während des Bioherstellungsprozesses mit Ultraschall ausrichten.
Dieser 3D-Meniskus für das menschliche Knie wurde mit der an der NC State University entwickelten ultraschallunterstützten Biofabrikationstechnik hergestellt.
Rohan Shirwaiker, NC State University
Die hier gezeigten roten Punkte sind lebende menschliche Stammzellen aus Adipositas. Das linke Bild zeigt ein Bild eines Abschnitts von technisiertem Gewebe, das ohne ultraschallunterstützte Biofabrikation (UAB) bioprint wurde. Beachten Sie, wie die Zellen homogen in der Bioink verteilt sind. Das rechte Bild zeigt einen Ausschnitt aus technisiertem Gewebe, der mit UAB bioprint wurde, wodurch sich die lebenden Zellen ausrichten.
Rohan Shirwaiker, NC State University
"Wir sind an einem Punkt angelangt, an dem wir medizinische Produkte wie Knieimplantate durch den Druck lebender Zellen herstellen können", sagt Rohan Shirwaiker, Korrespondenzautor einer Arbeit und außerordentlicher Professor im NC State's Edward P. Fitts Department of Industrial & Systems Engineering. "Aber eine Herausforderung bestand darin, die zu druckenden Zellen so zu organisieren, dass das künstliche Gewebe natürliche Gewebe besser nachahmt.
"Wir haben jetzt eine Technik entwickelt, die als ultraschallunterstützte Biofabrikation (UAB) bezeichnet wird, die es uns ermöglicht, Zellen in einer dreidimensionalen Matrix während des Bioprinting-Prozesses auszurichten. Auf diese Weise können wir beispielsweise einen Kniemeniskus erzeugen, der dem ursprünglichen Meniskus eines Patienten ähnlicher ist. Bis jetzt konnten wir Zellen für eine Reihe von technisiertem Muskel-Skelett-Gewebe ausrichten."
Um die Zellen auszurichten, bauten die Forscher eine Ultraschallkammer, in der sich Ultraschallwellen über den Bereich bewegen können, in dem ein Bioprinter lebende Zellen druckt. Diese Ultraschallwellen wandern in eine Richtung und werden dann zu ihrer Quelle zurückreflektiert, wodurch eine "stehende Ultraschallwelle" entsteht. Die Schallwellen treiben die Zellen effektiv in Reihen, die sich mit den Bereichen ausrichten, in denen sich die Ultraschallwellen und die reflektierten Wellen kreuzen.
"Wir können die Ausrichtungseigenschaften der Zellen kontrollieren, indem wir die Parameter des Ultraschalls, wie Frequenz und Amplitude, steuern", sagt Shirwaiker.
Um die Machbarkeit der UAB-Technik zu demonstrieren, schufen die Forscher einen Kniemeniskus, bei dem die Zellen in einem halbmondförmigen Bogen ausgerichtet sind - genau wie bei einem natürlichen Meniskus.
"Wir konnten die Ausrichtung der Zellen kontrollieren, während sie gedruckt wurden, Schicht für Schicht, im ganzen Gewebe", sagt Shirwaiker. "Wir haben auch die Fähigkeit gezeigt, Zellen so auszurichten, wie es für andere orthopädische Weichteile wie Bänder und Sehnen besonders wichtig ist."
Die Forscher fanden auch heraus, dass einige Kombinationen von Ultraschallparametern zum Zelltod führten.
"Das ist wichtig, denn es gibt uns ein klares Verständnis dafür, was wir tun können, um die Gewebeleistung zu verbessern, und was wir vermeiden müssen, um lebende Zellen zu erhalten", sagt Shirwaiker.
Zu diesem Zweck haben die Forscher Computermodelle erstellt, die es den Nutzern ermöglichen, die Leistung eines bestimmten Parametersatzes vorherzusagen, bevor sie mit der Biofabrikation beginnen.
Ein weiterer Vorteil der UAB-Technik ist, dass sie relativ kostengünstig ist.
"Es fallen einmalige Kosten für die Einrichtung der Ultraschallgeräte an, die eine handelsübliche Technologie nutzen können", sagt Shirwaiker. "Danach sind die Betriebskosten für die Ultraschallkomponenten vernachlässigbar gering. Und die UAB-Technik kann in Verbindung mit den meisten bestehenden Bioprinting-Technologien eingesetzt werden.
"Wir haben ein Patent auf die UAB-Technik angemeldet und suchen nun nach Industriepartnern, die uns bei der Kommerzialisierung unterstützen", sagt Shirwaiker.
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